Laajeneva maailmankaikkeus simuloidaan kvanttipisarassa

Valitettavasti kosmologian alalla on vain yksi maailmankaikkeus. Tämä tekee kokeiden suorittamisesta samalla tavalla kuin muilla tieteenaloilla melkoisen haasteen. Mutta käy ilmi, että maailmankaikkeus ja sitä läpäisevät kvanttikentät ovat erittäin analogisia kvanttinesteiden, kuten Bose-Einstein-kondensaattien (BEC) kanssa, ainakin matemaattisesta näkökulmasta. Nämä nesteet voivat olla kokeiden kohteena, mikä mahdollistaa kosmologian tutkimisen laboratoriossa.

Jonkin sisällä paperi julkaistu luontoSaksan Heidelbergin yliopiston tutkijat ovat ensimmäistä kertaa käyttäneet BEC:tä simuloimaan laajenevaa universumia ja tiettyjä kvanttikenttiä siinä. Tämä mahdollistaa tärkeiden kosmologisten skenaarioiden tutkimisen. Maailmankaikkeus ei vain laajene tällä hetkellä, vaan uskotaan, että se koki alkuräjähdyksen jälkeisten sekunnin ensimmäisten murto-osien aikana erittäin nopean laajenemisjakson, joka tunnetaan nimellä "inflaatio". Tämä prosessi olisi laajentanut kvanttikenttien mikroskooppiset vaihtelut varhaisessa universumissa galaksiklusterien kokoisiksi, mikä olisi kylvänyt tämän päivän universumimme laajamittaisen rakenteen.

Tämän kosmologisen mallin tutkimiseksi tutkijat aloittivat litteällä BEC-pisaralla, joka koostui kalium-39-atomeista optisessa ansassa. Tämä oli simulaattorin "universumi"-osa, ja sen avaruudellinen kaarevuus oli suhteessa BEC:n keskimääräiseen tiheyteen. Kvanttikenttäosaa soittivat fononit, kvantisoidut äänienergiapaketit, jotka liikkuivat nesteen läpi. Nämä toimivat analogeina fotoneille ja muille kvanttikentille, jotka vaihtelevat todellisessa universumissa.

Kvantisoidut värähtelyt

Fononit luotiin ampumalla laserilla BEC:tä kohti. Kun laser sammutettiin, pisaran läpi levisi fononivärähtely. Kvanttihiukkaset seuraavat liikeratoja, jotka määräytyvät sen aika-avaruuden kaarevuuden mukaan, jossa ne liikkuvat. Näin ollen tutkimalla näiden fononien liikerataa tutkijat pystyivät vahvistamaan, että simuloidulla maailmankaikkeudella oli heidän tavoittelemansa avaruudellinen kaarevuus.

Lopuksi avaruuden laajentaminen aloitettiin taitavasti säätämällä BEC:n atomien välisten vuorovaikutusten voimakkuutta magneettikentillä. Vuorovaikutusvoimakkuuden vähentäminen laskee myös äänen nopeutta, jolloin saavutetaan sama vaikutus kuin vastaavalla tilan laajennuksella. Ajatuksena on, että laajennetussa tilassa signaalin kulkeminen pituudeltaan kestää kauemmin. Joten pisaran fyysisen laajentamisen sijaan voidaan tuottaa sama vaikutus hidastamalla signaalia.

Kvanttikentät ja dynaaminen aika-avaruus ovat vuorovaikutuksessa monimutkaisilla tavoilla. Yksi erityisen omituinen piirre on, että laajeneva tila voi tuottaa hiukkasia – vaikutus on samankaltainen kuin mustien aukkojen aiheuttama Hawking-säteily. Säätämällä BEC:n sirontapituutta tiedemiehet kokeilivat miniuniversuminsa koon "nousua" eri tavoin, mikä vastasi tasaista, kiihtyvää ja hidastuvaa laajenemista.

Kylvö laajamittainen rakenne

Se, mitä he havaitsivat, vastasi itse asiassa fononien tuotantoa, kuten odotettiin. Koska nämä fononit häiritsivät toisiaan, ne tuottivat satunnaisten tiheysvaihteluiden kuvioita BEC:ssä. He olivat siten havainneet saman ilmiön, jonka ennustettiin olevan vastuussa laajamittaisten rakenteiden kylvämisestä varhaisessa universumissa.

Vaikka simuloitu maailmankaikkeus eroaa suuresti omastamme – sillä on esimerkiksi vain kaksi tilaulottuvuutta ja erilainen yleinen kaarevuus – nämä yksinkertaiset työkalut voivat auttaa tutkijoita ratkaisemaan vaikeita ongelmia tulevaisuudessa.

Ultrakylmät atomit lähestyvät varhaisen maailmankaikkeuden simulointia

"Jo yksinkertaistetut kosmologiset mallit, kuten se, jota tarkastelimme, voivat sisältää joitain ei-ymmärrettyjä ilmiöitä, joita esiintyy universumissamme", selittää. Marius Sparn, yksi teoksen kirjoittajista luonto paperi.

Jopa tämä periaatetodistuskoe sisälsi kiehtovia yllätyksiä. Paitsi ekspansiorampit tuottaneet fononeja, vaan niiden kollektiivisten värähtelyjen ominaisuudet riippuivat suoritetun rampin tyypistä. Fononit sisälsivät tietoa, joka paljasti, oliko laajeneminen jatkuvaa, kiihtyvää vai hidastuvaa. Tämä mielenkiintoinen piirre, joka Sparnin mukaan ymmärrettiin vain teorian ja kokeen välisen vuorovaikutuksen kautta, osoittaa mahdollisuudet jatkaa näitä laboratoriopohjaisia ​​tutkimuksia.

Erityisesti tutkijat toivovat voivansa käyttää näitä työkaluja kurkistaakseen takaisin maailmankaikkeuden varhaisimpiin hetkiin ja tutkiakseen hypoteesia, että universumin laajamittaisella rakenteella on kvanttialkuperä. Yhteiskirjoittaja Stefan Floerchinger kysyy: "Onko tavallinen oppikirjateoria valmis, vai onko olemassa tapoja katsoa taaksepäin aikakauteen ennen inflaatiota tutkimalla kvanttivaihteluita, korrelaatioita ja sotkeutumista yksityiskohtaisemmin?"

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/