Alam semesta yang mengembang disimulasikan dalam tetesan kuantum

Alam semesta yang mengembang disimulasikan dalam tetesan kuantum

Stempel Waktu: 22 Maret 2023 7

Ilustrasi BEC yang mensimulasikan alam semesta yang mengembang
Besar dan kecil: ilustrasi tentang bagaimana kondensat Bose-Einstein kecil telah digunakan untuk mensimulasikan perluasan ruang yang terjadi beberapa saat setelah Big Bang. (Sumber: Campbell McLauchlan)

Sayangnya untuk bidang kosmologi, hanya ada satu alam semesta. Hal ini membuat melakukan eksperimen dengan cara yang sama seperti bidang ilmiah lainnya cukup menantang. Tapi ternyata alam semesta dan medan kuantum yang menembusnya sangat mirip dengan cairan kuantum seperti kondensat Bose-Einstein (BEC), setidaknya dari sudut pandang matematika. Cairan ini dapat menjadi subjek percobaan, memungkinkan kosmologi dipelajari di laboratorium.

Di sebuah kertas diterbitkan dalam Alam, para peneliti di Universitas Heidelberg di Jerman untuk pertama kalinya menggunakan BEC untuk mensimulasikan alam semesta yang mengembang dan medan kuantum tertentu di dalamnya. Ini memungkinkan untuk mempelajari skenario kosmologis yang penting. Tidak hanya alam semesta yang saat ini mengembang, tetapi diyakini bahwa dalam sepersekian detik pertama setelah Big Bang, alam semesta mengalami periode perluasan yang sangat cepat yang dikenal sebagai "inflasi". Proses ini akan memperluas fluktuasi mikroskopis medan kuantum di alam semesta awal hingga seukuran gugus galaksi, menyemai struktur skala besar alam semesta kita saat ini.

Untuk mempelajari model kosmologi ini, para peneliti memulai dengan tetesan datar BEC yang terdiri dari atom potasium-39 dalam perangkap optik. Ini adalah bagian "alam semesta" dari simulator, dan memiliki kelengkungan spasial yang terkait dengan kepadatan rata-rata BEC. Bagian medan kuantum dimainkan oleh fonon, paket energi suara terkuantisasi yang bergerak melalui fluida. Ini berfungsi sebagai analog dengan foton dan bidang kuantum lainnya yang berfluktuasi di alam semesta yang sebenarnya.

Getaran terkuantisasi

Fonon dibuat dengan menembakkan laser ke BEC. Saat laser dimatikan, getaran fonon menyebar melalui tetesan. Partikel kuantum mengikuti lintasan yang ditentukan oleh kelengkungan ruangwaktu tempat mereka bergerak. Oleh karena itu, dengan mempelajari lintasan fonon ini, para peneliti dapat memastikan bahwa alam semesta yang disimulasikan memiliki kelengkungan spasial yang mereka tuju.

Akhirnya, perluasan ruang secara cerdik dilembagakan dengan menyesuaikan kekuatan interaksi antara atom-atom di BEC dengan medan magnet. Mengurangi kekuatan interaksi juga menurunkan kecepatan suara, yang mencapai efek yang sama dengan perluasan ruang yang sesuai. Idenya adalah bahwa dalam ruang yang diperluas, sinyal membutuhkan waktu lebih lama untuk melintasi panjangnya. Jadi, alih-alih memperluas tetesan secara fisik, seseorang dapat menghasilkan efek yang sama dengan memperlambat sinyal.

Distribusi materi di alam semesta
Seperti yang sebenarnya: kepadatan BEC yang diukur sebelum (kiri) dan setelah (tengah) jalur inflasi. Peningkatan graininess adalah hasil dari fluktuasi densitas yang lebih besar – akibat dari pemuaian yang menghasilkan fonon dalam fluida. Fenomena yang sama dianggap bertanggung jawab atas distribusi materi dalam skala besar di alam semesta. Distribusi ini diilustrasikan di sebelah kanan oleh sebagian dari simulasi distribusi materi gelap di alam semesta saat ini. (Sumber: C Viermann et al/Alam, Volker Springel/Max Planck Institut Astrofisika/CC BY-SA 4.0)

Medan kuantum dan ruangwaktu dinamis berinteraksi dengan cara yang kompleks. Salah satu fitur yang sangat aneh adalah ruang yang mengembang dapat menghasilkan partikel – efek yang mirip dengan penciptaan radiasi Hawking oleh lubang hitam. Dengan menyetel panjang hamburan BEC, para ilmuwan bereksperimen dengan "meningkatkan" ukuran alam semesta mini mereka dengan cara yang berbeda, sesuai dengan perluasan yang seragam, dipercepat, dan diperlambat.

Pembibitan struktur skala besar

Apa yang mereka amati memang sesuai dengan produksi fonon, seperti yang diharapkan. Karena fonon ini saling mengganggu, mereka menghasilkan pola fluktuasi kerapatan acak di BEC. Dengan demikian, mereka telah mengamati fenomena yang sama yang diperkirakan bertanggung jawab atas penyemaian struktur berskala besar di awal alam semesta.

Meskipun alam semesta yang disimulasikan sangat berbeda dari alam semesta kita – misalnya, hanya memiliki dua dimensi spasial dan kelengkungan keseluruhan yang berbeda – alat sederhana ini dapat membantu ilmuwan memecahkan masalah sulit di masa depan.

“Model kosmologis yang sudah disederhanakan, seperti yang kita pertimbangkan, dapat memuat beberapa fenomena yang tidak dipahami dengan baik yang ada di alam semesta kita,” jelas Marius Sparn, salah satu rekan penulis dari Alam kertas.

Bahkan percobaan pembuktian prinsip ini mengandung kejutan yang menarik. Tidak hanya fonon yang dihasilkan oleh landai ekspansif, tetapi karakteristik osilasi kolektifnya bergantung pada jenis ramp yang dilakukan. Fonon berisi informasi yang mengungkapkan apakah ekspansi itu konstan, dipercepat atau diperlambat. Fitur menarik ini, yang menurut Sparn hanya dipahami melalui interaksi antara teori dan eksperimen, menunjukkan kemungkinan mengejar studi berbasis laboratorium ini.

Secara khusus, para peneliti berharap untuk menggunakan alat ini untuk mengintip kembali ke saat-saat awal alam semesta dan menyelidiki hipotesis bahwa struktur skala besar alam semesta memiliki asal kuantum. Rekan penulis Stefan Floerchinger bertanya "Apakah teori buku teks standar lengkap, atau adakah cara untuk melihat kembali ke periode sebelum inflasi dengan menyelidiki fluktuasi kuantum, korelasi, dan keterikatan secara lebih rinci?"

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika