Et ekspanderende univers simuleres i en kvantedråbe

Et ekspanderende univers simuleres i en kvantedråbe

Tidsstempel: 22. marts 2023 kl. 7:32

Illustration af en BEC, der simulerer et ekspanderende univers
Stort og småt: illustration af, hvordan et lille Bose-Einstein-kondensat er blevet brugt til at simulere udvidelsen af ​​rummet, der fandt sted øjeblikke efter Big Bang. (Med høflighed: Campbell McLauchlan)

Desværre for det kosmologiske område er der kun ét univers. Dette gør at udføre eksperimenter på samme måde som andre videnskabelige områder til noget af en udfordring. Men det viser sig, at universet og de kvantefelter, der gennemsyrer det, er meget analoge med kvantevæsker som Bose-Einstein-kondensater (BEC'er), i det mindste fra et matematisk synspunkt. Disse væsker kan være genstand for eksperimenter, hvilket gør det muligt at studere kosmologi i laboratoriet.

I en papir offentliggjort i Natur, har forskere ved Heidelberg Universitet i Tyskland for første gang brugt en BEC til at simulere et ekspanderende univers og visse kvantefelter indenfor det. Dette giver mulighed for at studere vigtige kosmologiske scenarier. Ikke alene udvider universet sig i øjeblikket, men det menes, at det i de første brøkdele af et sekund efter Big Bang gennemgik en periode med ekstrem hurtig ekspansion, kendt som "inflation". Denne proces ville have udvidet de mikroskopiske fluktuationer af kvantefelter i det tidlige univers til størrelsen af ​​galaksehobe, og så den storskalastruktur af vores univers i dag.

For at studere denne kosmologiske model begyndte forskerne med en flad dråbe BEC sammensat af kalium-39 atomer i en optisk fælde. Dette var "universet"-delen af ​​simulatoren, og den havde en rumlig krumning, der var relateret til den gennemsnitlige tæthed af BEC. Kvantefeltdelen blev spillet af fononer, kvantiserede pakker af lydenergi, der bevægede sig gennem væsken. Disse tjente som analoger til fotoner og andre kvantefelter, der svinger i det faktiske univers.

Kvantiserede vibrationer

Fononerne blev skabt ved at affyre en laser mod BEC. Da laseren blev slukket, spredte en fononvibration sig gennem dråben. Kvantepartikler følger baner bestemt af krumningen af ​​den rumtid, hvori de bevæger sig. Ved at studere disse fononers bane var forskerne derfor i stand til at bekræfte, at det simulerede univers havde den rumlige krumning, de sigtede efter.

Endelig blev udvidelsen af ​​rummet smart indført ved at justere styrken af ​​interaktioner mellem atomerne i BEC med magnetiske felter. Formindskelse af interaktionsstyrken mindsker også lydens hastighed, hvilket opnår samme effekt som en tilsvarende udvidelse af rummet. Ideen er, at i et udvidet rum tager det længere tid for et signal at krydse sin længde. Så i stedet for fysisk at udvide dråben, kan man producere den samme effekt ved at bremse signalet.

Fordeling af stof i universet
Som den ægte vare: den målte tæthed af BEC før (venstre) og efter (midten) en inflationsrampe. Stigningen i kornethed er resultatet af større tæthedsudsving - en konsekvens af udvidelsen, der producerer fononer i væsken. Det samme fænomen menes at være ansvarlig for den store fordeling af stof i universet. Denne fordeling er illustreret til højre ved en del af en simulering af mørkt stofs fordeling i universet i dag. (Med høflighed: C Viermann et al/Natur, Volker Springel/Max Planck Institute for Astrophysics/CC BY-SA 4.0)

Kvantefelter og en dynamisk rumtid interagerer på komplekse måder. Et særligt mærkeligt træk er, at et ekspanderende rum kan producere partikler - en effekt svarende til skabelsen af ​​Hawking-stråling af sorte huller. Ved at justere spredningslængden af ​​BEC eksperimenterede forskerne med at "rampe" op på størrelsen af ​​deres miniunivers på forskellige måder, svarende til ensartede, accelererende og decelererende udvidelser.

Såning i stor skala struktur

Det, de observerede, svarede faktisk til produktionen af ​​fononer, som forventet. Da disse fononer interfererede med hinanden, producerede de mønstre af tilfældige tæthedsudsving i BEC. De havde således observeret det samme fænomen, der var forudsagt at være ansvarligt for såningen af ​​storskala struktur i det tidlige univers.

Selvom det simulerede univers adskiller sig meget fra vores eget – for eksempel har det kun to rumlige dimensioner og en anden overordnet krumning – kan disse simple værktøjer hjælpe videnskabsmænd med at løse vanskelige problemer i fremtiden.

"Allerede forenklede kosmologiske modeller, som den vi overvejede, kan indeholde nogle af de ikke-velforståede fænomener, der er til stede i vores univers," forklarer Marius Sparn, en af ​​medforfatterne til Natur papir.

Selv dette proof-of-princip-eksperiment indeholdt spændende overraskelser. Ikke kun blev fononer produceret af de ekspansive ramper, men egenskaberne af deres kollektive svingninger afhang af den udførte type rampe. Fononerne indeholdt information, der afslørede, om udvidelsen var konstant, accelererende eller decelererende. Denne interessante funktion, som Sparn siger, kun blev forstået gennem samspillet mellem teori og eksperiment, demonstrerer mulighederne for at forfølge disse laboratoriebaserede undersøgelser.

Især håber forskerne at bruge disse værktøjer til at kigge tilbage i de tidligste øjeblikke af universet og undersøge hypotesen om, at universets storstilede struktur har en kvanteoprindelse. Medforfatter Stefan Floerchinger spørger "Er standardlærebogsteorien komplet, eller er der måder at se tilbage til perioden før inflation ved at undersøge kvanteudsving, korrelationer og sammenfiltring mere detaljeret?"

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden