A táguló univerzumot egy kvantumcseppben szimulálják

Sajnos a kozmológia területén csak egy univerzum létezik. Ez nagy kihívást jelent a kísérletek elvégzése más tudományterületekhez hasonlóan. De kiderül, hogy az univerzum és az azt átható kvantumterek nagyon hasonlóak a kvantumfolyadékokhoz, például a Bose-Einstein kondenzátumokhoz (BEC), legalábbis matematikai szempontból. Ezek a folyadékok kísérletek tárgyát képezhetik, lehetővé téve a kozmológia laboratóriumi tanulmányozását.

egy papír kiadva Természet, a németországi Heidelbergi Egyetem kutatói először használtak BEC-t egy táguló univerzum és bizonyos kvantummezők szimulálására. Ez lehetővé teszi fontos kozmológiai forgatókönyvek tanulmányozását. Az univerzum jelenleg nem csak tágul, hanem úgy vélik, hogy az Ősrobbanást követő másodperc első töredékeiben rendkívül gyors tágulási perióduson ment keresztül, amelyet „inflációnak” neveznek. Ez a folyamat a korai univerzum kvantumtereinek mikroszkopikus fluktuációit galaxishalmazok méretűre terjesztette volna ki, ami a mai univerzumunk nagy léptékű szerkezetét magához vonta volna.

Ennek a kozmológiai modellnek a tanulmányozására a kutatók egy lapos BEC-cseppel kezdték, amely kálium-39 atomokból állt egy optikai csapdában. Ez volt a szimulátor „univerzum” része, és olyan térbeli görbülete volt, amely a BEC átlagos sűrűségéhez kapcsolódik. A kvantumtér szerepét a fononok, a folyadékon áthaladó kvantált hangenergia-csomagok játszották. Ezek analógjaiként szolgáltak a fotonokhoz és más kvantumterekhez, amelyek a tényleges univerzumban ingadoznak.

Kvantált rezgések

A fononokat úgy hozták létre, hogy egy lézert lőttek ki a BEC-re. Amikor a lézert kikapcsolták, fononrezgés terjedt át a cseppen. A kvantumrészecskék a téridő görbülete által meghatározott pályákat követik, amelyben mozognak. Ezért ezeknek a fononoknak a pályájának tanulmányozásával a kutatók meg tudták erősíteni, hogy a szimulált univerzum rendelkezik az általuk megcélzott térbeli görbülettel.

Végül a tér tágítását ügyesen kezdeményezték a BEC-ben lévő atomok közötti kölcsönhatások erősségének mágneses mezőkkel való beállításával. Az interakciós erősség csökkentése a hangsebességet is csökkenti, ami ugyanazt a hatást éri el, mint a tér ennek megfelelő kitágulása. Az ötlet az, hogy egy kiterjesztett térben hosszabb ideig tart, amíg a jel áthalad a hosszán. Tehát a csepp fizikai kiterjesztése helyett ugyanazt a hatást lehet előidézni a jel lelassításával.

A kvantummezők és a dinamikus téridő összetett módon hatnak egymásra. Az egyik különösen érdekes tulajdonság az, hogy a táguló tér részecskéket tud termelni – ez a hatás hasonló a fekete lyukak Hawking-sugárzásának létrehozásához. A tudósok a BEC szóródási hosszának hangolásával kísérleteztek mini univerzum méretének különböző módszerekkel történő „felfuttatásával”, egyenletes, gyorsuló és lassuló tágulásoknak megfelelően.

Vetés nagyméretű szerkezet

Amit megfigyeltek, valójában megfelelt a fononok termelésének, ahogy az várható volt. Mivel ezek a fononok interferálnak egymással, véletlenszerű sűrűség-ingadozásokat hoztak létre a BEC-ben. Így ugyanazt a jelenséget figyelték meg, amelyről azt jósolták, hogy felelős a nagyméretű szerkezetek kiültetéséért a korai univerzumban.

Annak ellenére, hogy a szimulált univerzum nagyban különbözik a miénktől – például csak két térbeli dimenziója és eltérő általános görbülete van – ezek az egyszerű eszközök segíthetnek a tudósoknak nehéz problémák megoldásában a jövőben.

Az ultrahideg atomok közelebb kerülnek a korai univerzum szimulációjához

„A már leegyszerűsített kozmológiai modellek, mint az általunk vizsgált, tartalmazhatnak néhány, az univerzumunkban jelen lévő, nem jól érthető jelenséget” – magyarázza. Marius Sparn, egyik társszerzője a Természet papírt.

Még ez az alapelv-bizonyítási kísérlet is tartalmazott érdekes meglepetéseket. Az expanziós rámpák nemcsak fononokat hoztak létre, hanem kollektív oszcillációik jellemzői a végrehajtott rámpa típusától függtek. A fononok olyan információkat tartalmaztak, amelyekből kiderült, hogy a tágulás állandó, gyorsul vagy lassul. Ez az érdekes tulajdonság, amelyet Sparn szerint csak az elmélet és a kísérlet kölcsönhatása révén értettek meg, bemutatja a laboratóriumi vizsgálatok folytatásának lehetőségeit.

A kutatók azt remélik, hogy ezekkel az eszközökkel visszatekinthetnek az univerzum legkorábbi pillanataiba, és megvizsgálhatják azt a hipotézist, hogy az univerzum nagyméretű szerkezete kvantum eredetű. Társszerző Stefan Floerchinger Felteszi a kérdést: „Befejezett-e a standard tankönyvi elmélet, vagy van mód arra, hogy visszatekintsünk az infláció előtti időszakra a kvantumfluktuációk, összefüggések és összefonódások részletesebb vizsgálatával?”

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/