In einem Quantentröpfchen wird ein expandierendes Universum simuliert

Unglücklicherweise für das Gebiet der Kosmologie gibt es nur ein Universum. Das macht die Durchführung von Experimenten wie in anderen wissenschaftlichen Bereichen zu einer ziemlichen Herausforderung. Aber es stellt sich heraus, dass das Universum und die Quantenfelder, die es durchdringen, zumindest aus mathematischer Sicht hochgradig analog zu Quantenflüssigkeiten wie Bose-Einstein-Kondensaten (BECs) sind. Diese Flüssigkeiten können Gegenstand von Experimenten sein, wodurch die Kosmologie im Labor untersucht werden kann.

In einer Krepppapier veröffentlicht Naturhaben Forscher der Universität Heidelberg in Deutschland zum ersten Mal ein BEC verwendet, um ein expandierendes Universum und bestimmte Quantenfelder darin zu simulieren. Dies ermöglicht die Untersuchung wichtiger kosmologischer Szenarien. Das Universum dehnt sich derzeit nicht nur aus, sondern es wird angenommen, dass es in den ersten Bruchteilen einer Sekunde nach dem Urknall eine Periode extrem schneller Expansion durchgemacht hat, die als „Inflation“ bekannt ist. Dieser Prozess hätte die mikroskopischen Schwankungen von Quantenfeldern im frühen Universum auf die Größe von Galaxienhaufen ausgedehnt und die großräumige Struktur unseres heutigen Universums gesät.

Um dieses kosmologische Modell zu untersuchen, begannen die Forscher mit einem flachen BEC-Tröpfchen aus Kalium-39-Atomen in einer optischen Falle. Dies war der „Universal“-Teil des Simulators und hatte eine räumliche Krümmung, die mit der durchschnittlichen Dichte des BEC in Beziehung stand. Der Quantenfeldteil wurde von Phononen gespielt, quantisierten Schallenergiepaketen, die sich durch die Flüssigkeit bewegten. Diese dienten als Analoga zu Photonen und anderen Quantenfeldern, die im tatsächlichen Universum fluktuieren.

Quantisierte Schwingungen

Die Phononen wurden durch das Abfeuern eines Lasers auf das BEC erzeugt. Beim Abschalten des Lasers breitete sich eine Phononenschwingung im Tröpfchen aus. Quantenteilchen folgen Bahnen, die durch die Krümmung der Raumzeit bestimmt werden, in der sie sich bewegen. Durch die Untersuchung der Flugbahn dieser Phononen konnten die Forscher daher bestätigen, dass das simulierte Universum die angestrebte räumliche Krümmung aufwies.

Schließlich wurde die Erweiterung des Weltraums geschickt eingeleitet, indem die Stärke der Wechselwirkungen zwischen den Atomen im BEC mit Magnetfeldern angepasst wurde. Eine Verringerung der Wechselwirkungsstärke verringert auch die Schallgeschwindigkeit, was den gleichen Effekt erzielt wie eine entsprechende Raumausdehnung. Die Idee ist, dass es in einem erweiterten Raum länger dauert, bis ein Signal seine Länge durchquert. Anstatt also das Tröpfchen physisch auszudehnen, kann man den gleichen Effekt erzielen, indem man das Signal verlangsamt.

Quantenfelder und eine dynamische Raumzeit interagieren auf komplexe Weise. Ein besonders merkwürdiges Merkmal ist, dass ein expandierender Raum Teilchen erzeugen kann – ein Effekt, der der Erzeugung von Hawking-Strahlung durch Schwarze Löcher ähnelt. Durch die Abstimmung der Streulänge des BEC experimentierten die Wissenschaftler damit, die Größe ihres Mini-Universums auf unterschiedliche Weise zu „erhöhen“, was gleichförmigen, beschleunigenden und verlangsamenden Expansionen entsprach.

Seeding großflächige Struktur

Was sie beobachteten, entsprach tatsächlich, wie erwartet, der Erzeugung von Phononen. Da diese Phononen miteinander interferierten, erzeugten sie Muster zufälliger Dichteschwankungen im BEC. Sie hatten also das gleiche Phänomen beobachtet, von dem vorhergesagt wurde, dass es für die Aussaat großräumiger Strukturen im frühen Universum verantwortlich ist.

Auch wenn sich das simulierte Universum stark von unserem unterscheidet – es hat zum Beispiel nur zwei räumliche Dimensionen und eine andere Gesamtkrümmung – könnten diese einfachen Werkzeuge Wissenschaftlern helfen, schwierige Probleme in Zukunft zu lösen.

Ultrakalte Atome nähern sich der Simulation des frühen Universums

„Bereits vereinfachte kosmologische Modelle, wie das von uns betrachtete, können einige der nicht gut verstandenen Phänomene enthalten, die in unserem Universum vorhanden sind“, erklärt Marius Sparn, einer der Co-Autoren des Natur Papier.

Selbst dieses Proof-of-Principle-Experiment enthielt faszinierende Überraschungen. Durch die Expansionsrampen wurden nicht nur Phononen erzeugt, sondern die Eigenschaften ihrer kollektiven Schwingungen hingen von der Art der ausgeführten Rampe ab. Die Phononen enthielten Informationen darüber, ob die Expansion konstant, beschleunigt oder verlangsamt war. Dieses interessante Merkmal, das laut Sparn nur durch das Zusammenspiel von Theorie und Experiment verstanden wurde, demonstriert die Möglichkeiten, diese laborbasierten Studien fortzusetzen.

Insbesondere hoffen die Forscher, mit diesen Werkzeugen in die frühesten Momente des Universums zurückzublicken und die Hypothese zu untersuchen, dass die großräumige Struktur des Universums einen Quantenursprung hat. Mitverfasser Stefan Flörchinger fragt: „Ist die Standard-Lehrbuchtheorie vollständig oder gibt es Möglichkeiten, auf die Zeit vor der Inflation zurückzublicken, indem man Quantenfluktuationen, Korrelationen und Verschränkungen genauer untersucht?“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/