Ένα διαστελλόμενο σύμπαν προσομοιώνεται σε ένα κβαντικό σταγονίδιο

Δυστυχώς για τον τομέα της κοσμολογίας, υπάρχει μόνο ένα σύμπαν. Αυτό καθιστά την εκτέλεση πειραμάτων με τον ίδιο τρόπο όπως και άλλα επιστημονικά πεδία αρκετά πρόκληση. Αλλά αποδεικνύεται ότι το σύμπαν και τα κβαντικά πεδία που το διαπερνούν είναι εξαιρετικά ανάλογα με τα κβαντικά ρευστά όπως τα συμπυκνώματα Bose-Einstein (BECs), τουλάχιστον από μαθηματική άποψη. Αυτά τα υγρά μπορούν να αποτελέσουν αντικείμενο πειραμάτων, επιτρέποντας τη μελέτη της κοσμολογίας στο εργαστήριο.

Σε χαρτί δημοσιευτηκε σε Φύση, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης στη Γερμανία χρησιμοποίησαν για πρώτη φορά ένα BEC για να προσομοιώσουν ένα διαστελλόμενο σύμπαν και ορισμένα κβαντικά πεδία μέσα σε αυτό. Αυτό επιτρέπει τη μελέτη σημαντικών κοσμολογικών σεναρίων. Όχι μόνο το σύμπαν διαστέλλεται επί του παρόντος, αλλά πιστεύεται ότι στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη υπέστη μια περίοδο εξαιρετικά γρήγορης διαστολής γνωστή ως «πληθωρισμός». Αυτή η διαδικασία θα είχε επεκτείνει τις μικροσκοπικές διακυμάνσεις των κβαντικών πεδίων στο πρώιμο σύμπαν στο μέγεθος των σμηνών γαλαξιών, δημιουργώντας τη μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντός μας σήμερα.

Για να μελετήσουν αυτό το κοσμολογικό μοντέλο, οι ερευνητές ξεκίνησαν με μια επίπεδη σταγόνα BEC που αποτελείται από άτομα καλίου-39 σε μια οπτική παγίδα. Αυτό ήταν το «σύμπαν» μέρος του προσομοιωτή και είχε μια χωρική καμπυλότητα που σχετιζόταν με τη μέση πυκνότητα του BEC. Το μέρος του κβαντικού πεδίου παιζόταν από φωνόνια, κβαντισμένα πακέτα ηχητικής ενέργειας που κινούνταν μέσα στο ρευστό. Αυτά χρησίμευαν ως ανάλογα με τα φωτόνια και άλλα κβαντικά πεδία που κυμαίνονταν στο πραγματικό σύμπαν.

Κβαντισμένες δονήσεις

Τα φωνόνια δημιουργήθηκαν με πυροδότηση λέιζερ στο BEC. Όταν το λέιζερ απενεργοποιήθηκε, μια δόνηση φωνονίου εξαπλώθηκε μέσω του σταγονιδίου. Τα κβαντικά σωματίδια ακολουθούν τροχιές που καθορίζονται από την καμπυλότητα του χωροχρόνου στον οποίο κινούνται. Ως εκ τούτου, μελετώντας την τροχιά αυτών των φωνονίων, οι ερευνητές μπόρεσαν να επιβεβαιώσουν ότι το προσομοιωμένο σύμπαν είχε τη χωρική καμπυλότητα που στόχευαν.

Τέλος, η επέκταση του χώρου θεσμοθετήθηκε έξυπνα ρυθμίζοντας την ισχύ των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ατόμων στο BEC με τα μαγνητικά πεδία. Η μείωση της ισχύος αλληλεπίδρασης μειώνει επίσης την ταχύτητα του ήχου, η οποία επιτυγχάνει το ίδιο αποτέλεσμα με μια αντίστοιχη επέκταση του χώρου. Η ιδέα είναι ότι σε έναν διευρυμένο χώρο, χρειάζεται περισσότερος χρόνος για να διασχίσει ένα σήμα το μήκος του. Έτσι, αντί να διαστέλλεται φυσικά το σταγονίδιο, μπορεί κανείς να παράγει το ίδιο αποτέλεσμα επιβραδύνοντας το σήμα.

Τα κβαντικά πεδία και ο δυναμικός χωροχρόνος αλληλεπιδρούν με πολύπλοκους τρόπους. Ένα ιδιαίτερα περίεργο χαρακτηριστικό είναι ότι ένας διαστελλόμενος χώρος μπορεί να παράγει σωματίδια – ένα φαινόμενο παρόμοιο με τη δημιουργία της ακτινοβολίας Hawking από τις μαύρες τρύπες. Συντονίζοντας το μήκος σκέδασης του BEC, οι επιστήμονες πειραματίστηκαν με το να «αυξάνουν» το μέγεθος του μίνι σύμπαντός τους με διαφορετικούς τρόπους, που αντιστοιχούν σε ομοιόμορφες, επιταχυνόμενες και επιβραδυνόμενες διαστολές.

Σπορά μεγάλης κλίμακας δομή

Αυτό που παρατήρησαν στην πραγματικότητα αντιστοιχούσε στην παραγωγή φωνονίων, όπως ήταν αναμενόμενο. Καθώς αυτά τα φωνόνια παρενέβαιναν μεταξύ τους, παρήγαγαν μοτίβα τυχαίων διακυμάνσεων πυκνότητας στο BEC. Έτσι, είχαν παρατηρήσει το ίδιο φαινόμενο που προβλεπόταν ότι ήταν υπεύθυνο για τη σπορά δομών μεγάλης κλίμακας στο πρώιμο σύμπαν.

Παρόλο που το προσομοιωμένο σύμπαν διαφέρει πολύ από το δικό μας – για παράδειγμα, έχει μόνο δύο χωρικές διαστάσεις και διαφορετική συνολική καμπυλότητα – αυτά τα απλά εργαλεία μπορεί να βοηθήσουν τους επιστήμονες να λύσουν δύσκολα προβλήματα στο μέλλον.

Τα υπερψυχρά άτομα πλησιάζουν περισσότερο στην προσομοίωση του πρώιμου σύμπαντος

«Ήδη απλοποιημένα κοσμολογικά μοντέλα, όπως αυτό που εξετάσαμε, μπορεί να περιέχουν μερικά από τα μη καλά κατανοητά φαινόμενα που υπάρχουν στο σύμπαν μας», εξηγεί. Μάριους Σπαρν, ένας από τους συν-συγγραφείς του Φύση χαρτί.

Ακόμη και αυτό το πείραμα απόδειξης της αρχής περιείχε συναρπαστικές εκπλήξεις. Όχι μόνο παράγονται φωνόνια από τις ράμπες επέκτασης, αλλά τα χαρακτηριστικά των συλλογικών τους ταλαντώσεων εξαρτώνται από τον τύπο της ράμπας που εκτελούνταν. Τα φωνόνια περιείχαν πληροφορίες που αποκάλυψαν αν η διαστολή ήταν σταθερή, επιταχυνόμενη ή επιβραδυνόμενη. Αυτό το ενδιαφέρον χαρακτηριστικό, το οποίο ο Sparn λέει ότι έγινε κατανοητό μόνο μέσω της αλληλεπίδρασης μεταξύ θεωρίας και πειράματος, καταδεικνύει τις δυνατότητες συνέχισης αυτών των εργαστηριακών μελετών.

Συγκεκριμένα, οι ερευνητές ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν αυτά τα εργαλεία για να κοιτάξουν πίσω στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος και να διερευνήσουν την υπόθεση ότι η μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος έχει κβαντική προέλευση. Συν-συγγραφέας Στέφαν Φλόερχινγκερ ρωτά: «Είναι ολοκληρωμένη η τυπική θεωρία του σχολικού βιβλίου ή υπάρχουν τρόποι να κοιτάξουμε πίσω στην περίοδο πριν από τον πληθωρισμό διερευνώντας τις κβαντικές διακυμάνσεις, τους συσχετισμούς και τη διαπλοκή με περισσότερες λεπτομέρειες;»

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/