Un univers en expansion est simulé dans une gouttelette quantique

Malheureusement pour le domaine de la cosmologie, il n'y a qu'un seul univers. Cela rend la réalisation d'expériences de la même manière que dans d'autres domaines scientifiques tout un défi. Mais il s'avère que l'univers et les champs quantiques qui le traversent sont très analogues aux fluides quantiques comme les condensats de Bose-Einstein (BEC), du moins d'un point de vue mathématique. Ces fluides peuvent faire l'objet d'expériences permettant d'étudier la cosmologie en laboratoire.

Dans un papier publié dans Nature, des chercheurs de l'Université de Heidelberg en Allemagne ont pour la première fois utilisé un BEC pour simuler un univers en expansion et certains champs quantiques en son sein. Cela permet l'étude de scénarios cosmologiques importants. Non seulement l'univers est actuellement en expansion, mais on pense que dans les premières fractions de seconde après le Big Bang, il a subi une période d'expansion extrêmement rapide connue sous le nom d'"inflation". Ce processus aurait étendu les fluctuations microscopiques des champs quantiques dans l'univers primitif à la taille d'amas de galaxies, ensemençant la structure à grande échelle de notre univers aujourd'hui.

Pour étudier ce modèle cosmologique, les chercheurs sont partis d'une goutte plate de BEC composée d'atomes de potassium 39 dans un piège optique. C'était la partie "univers" du simulateur, et elle avait une courbure spatiale qui était liée à la densité moyenne du BEC. La partie du champ quantique était jouée par des phonons, des paquets quantifiés d'énergie sonore se déplaçant à travers le fluide. Ceux-ci ont servi d'analogues aux photons et autres champs quantiques fluctuant dans l'univers réel.

Vibrations quantifiées

Les phonons ont été créés en tirant un laser sur le BEC. Lorsque le laser a été éteint, une vibration de phonon s'est propagée à travers la gouttelette. Les particules quantiques suivent des trajectoires déterminées par la courbure de l'espace-temps dans lequel elles se déplacent. Ainsi, en étudiant la trajectoire de ces phonons, les chercheurs ont pu confirmer que l'univers simulé avait la courbure spatiale qu'ils visaient.

Enfin, l'expansion de l'espace a été habilement instituée en ajustant la force des interactions entre les atomes du BEC avec les champs magnétiques. La diminution de la force d'interaction diminue également la vitesse du son, ce qui produit le même effet qu'une expansion correspondante de l'espace. L'idée est que dans un espace étendu, il faut plus de temps pour qu'un signal parcoure sa longueur. Ainsi, au lieu de dilater physiquement la gouttelette, on peut produire le même effet en ralentissant le signal.

Les champs quantiques et un espace-temps dynamique interagissent de manière complexe. Une caractéristique particulièrement curieuse est qu'un espace en expansion peut produire des particules - un effet similaire à la création du rayonnement de Hawking par les trous noirs. En ajustant la longueur de diffusion du BEC, les scientifiques ont expérimenté l'augmentation de la taille de leur mini-univers de différentes manières, correspondant à des expansions uniformes, accélérées et décélérées.

Structure d'ensemencement à grande échelle

Ce qu'ils ont observé correspondait en fait à la production de phonons, comme prévu. Au fur et à mesure que ces phonons interféraient les uns avec les autres, ils produisaient des modèles de fluctuations de densité aléatoires dans le BEC. Ils avaient ainsi observé le même phénomène prédit comme étant responsable de l'ensemencement de la structure à grande échelle dans l'univers primitif.

Même si l'univers simulé diffère grandement du nôtre – par exemple, il n'a que deux dimensions spatiales et une courbure globale différente – ces outils simples peuvent aider les scientifiques à résoudre des problèmes difficiles à l'avenir.

Les atomes ultrafroids se rapprochent de la simulation de l'univers primitif

"Des modèles cosmologiques déjà simplifiés, comme celui que nous avons envisagé, peuvent contenir certains des phénomènes mal compris qui sont présents dans notre univers", explique Marius Sparn, l'un des co-auteurs du Nature papier.

Même cette expérience de preuve de principe contenait des surprises intrigantes. Non seulement les phonons étaient produits par les rampes expansionnistes, mais les caractéristiques de leurs oscillations collectives dépendaient du type de rampe réalisée. Les phonons contenaient des informations qui révélaient si l'expansion était constante, en accélération ou en décélération. Cette caractéristique intéressante, qui, selon Sparn, n'a été comprise qu'à travers l'interaction entre la théorie et l'expérience, démontre les possibilités de poursuivre ces études en laboratoire.

En particulier, les chercheurs espèrent utiliser ces outils pour scruter les premiers instants de l'univers et sonder l'hypothèse selon laquelle la structure à grande échelle de l'univers a une origine quantique. Coauteur Stefan Flörchinger demande "La théorie standard des manuels est-elle complète, ou existe-t-il des moyens de revenir sur la période précédant l'inflation en étudiant plus en détail les fluctuations quantiques, les corrélations et l'intrication ?"

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