Paisuvat universumit simuleeritakse kvanttilgas

Kahjuks on kosmoloogia valdkonnas ainult üks universum. See muudab katsete tegemise samaväärselt teiste teadusvaldkondadega üsna keeruliseks. Kuid selgub, et universum ja seda läbivad kvantväljad on vähemalt matemaatilisest vaatepunktist väga sarnased kvantvedelikega, nagu Bose-Einsteini kondensaadid (BEC). Neid vedelikke saab katsetada, võimaldades kosmoloogiat laboris uurida.

Aastal paber avaldatakse loodusSaksamaal asuva Heidelbergi ülikooli teadlased on esimest korda kasutanud BEC-i, et simuleerida paisuvat universumit ja teatud kvantvälju selles. See võimaldab uurida olulisi kosmoloogilisi stsenaariume. Universum mitte ainult ei paisu praegu, vaid arvatakse, et esimeste sekundi murdosadega pärast Suurt Pauku läbis see ülikiire paisumise perioodi, mida nimetatakse "inflatsiooniks". See protsess oleks laiendanud varajase universumi kvantväljade mikroskoopilisi kõikumisi galaktikaparvede suuruseni, külvades meie tänase universumi suuremahulise struktuuri.

Selle kosmoloogilise mudeli uurimiseks alustasid teadlased optilises lõksus asuva BEC-i lameda tilgaga, mis koosnes kaalium-39 aatomitest. See oli simulaatori "universumi" osa ja sellel oli ruumiline kõverus, mis oli seotud BEC keskmise tihedusega. Kvantvälja osa mängisid fononid, läbi vedeliku liikuvad kvantiseeritud helienergia paketid. Need olid analoogid footonitele ja teistele tegelikus universumis kõikuvatele kvantväljadele.

Kvantiseeritud vibratsioonid

Fonoonid loodi laseriga BEC-i tulistades. Laseri väljalülitamisel levis tilga kaudu fononi vibratsioon. Kvantosakesed järgivad trajektoore, mille määrab nende liikumise aegruumi kõverus. Seega suutsid teadlased nende fononite trajektoori uurides kinnitada, et simuleeritud universumil oli ruumiline kõverus, mida nad püüdsid.

Lõpuks käivitati ruumi laienemine nutikalt, reguleerides BEC-i aatomite vastastikmõju tugevust magnetväljadega. Interaktsiooni tugevuse vähendamine vähendab ka heli kiirust, mis saavutab sama efekti kui ruumi vastav laienemine. Idee seisneb selles, et laiendatud ruumis kulub signaalil oma pikkuse läbimiseks kauem aega. Nii et selle asemel, et tilka füüsiliselt laiendada, saab signaali aeglustades tekitada sama efekti.

Kvantväljad ja dünaamiline aegruum interakteeruvad keerulisel viisil. Üks eriti uudishimulik omadus on see, et laienev ruum võib tekitada osakesi – efekt on sarnane mustade aukude tekitatava Hawkingi kiirgusega. BEC-i hajumise pikkust häälestades katsetasid teadlased oma miniuniversumi suurust erinevatel viisidel, mis vastavad ühtlasele, kiirenevale ja aeglustuvale laienemisele.

Külvamine suuremahuline struktuur

See, mida nad täheldasid, vastas tegelikult ootuspäraselt fononite tootmisele. Kuna need fononid segasid üksteist, tekitasid nad BEC-is juhuslike tiheduse kõikumiste mustreid. Seega olid nad täheldanud sama nähtust, mis arvati olevat vastutav suuremahuliste struktuuride külvamise eest varases universumis.

Kuigi simuleeritud universum erineb suuresti meie omast – näiteks on sellel ainult kaks ruumimõõdet ja erinev üldine kumerus –, võivad need lihtsad tööriistad aidata teadlastel tulevikus keerulisi probleeme lahendada.

Ülikülmad aatomid lähenevad varajase universumi simuleerimisele

"Juba lihtsustatud kosmoloogilised mudelid, nagu see, mida me kaalusime, võivad sisaldada mõningaid meie universumis esinevaid halvasti mõistetavaid nähtusi," selgitab Marius Sparn, üks kaasautoritest loodus paberile.

Isegi see põhimõtet tõendav eksperiment sisaldas intrigeerivaid üllatusi. Paisutavate rampide abil ei toodetud mitte ainult fononeid, vaid ka nende kollektiivsete võnkumiste omadused sõltusid kasutatava kaldtee tüübist. Fonoonid sisaldasid teavet, mis näitas, kas paisumine oli pidev, kiirenev või aeglustuv. See huvitav omadus, mida Sparni sõnul mõisteti ainult teooria ja katse koosmõju kaudu, näitab nende laboripõhiste uuringute läbiviimise võimalusi.

Eelkõige loodavad teadlased kasutada neid tööriistu, et vaadata tagasi universumi varaseimatesse hetkedesse ja uurida hüpoteesi, et universumi suuremahulisel struktuuril on kvantpäritolu. Kaasautor Stefan Floerchinger küsib: "Kas standardne õpikuteooria on valmis või on võimalusi vaadata tagasi inflatsioonieelsesse perioodi, uurides üksikasjalikumalt kvantkõikumisi, korrelatsioone ja takerdumist?"

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/