Un universo in espansione è simulato in una gocciolina quantistica

Sfortunatamente per il campo della cosmologia, esiste un solo universo. Ciò rende l'esecuzione di esperimenti allo stesso modo di altri campi scientifici una vera sfida. Ma si scopre che l'universo e i campi quantistici che lo permeano sono molto simili ai fluidi quantistici come i condensati di Bose-Einstein (BEC), almeno da un punto di vista matematico. Questi fluidi possono essere oggetto di esperimenti, permettendo di studiare la cosmologia in laboratorio.

In un carta pubblicato nella Natura, i ricercatori dell'Università di Heidelberg in Germania hanno utilizzato per la prima volta un BEC per simulare un universo in espansione e alcuni campi quantistici al suo interno. Ciò consente lo studio di importanti scenari cosmologici. Non solo l'universo è attualmente in espansione, ma si ritiene che nelle prime frazioni di secondo dopo il Big Bang abbia subito un periodo di espansione estremamente rapida noto come "inflazione". Questo processo avrebbe ampliato le fluttuazioni microscopiche dei campi quantistici nell'universo primordiale fino alle dimensioni degli ammassi di galassie, seminando la struttura su larga scala del nostro universo odierno.

Per studiare questo modello cosmologico, i ricercatori hanno iniziato con una goccia piatta di BEC composta da atomi di potassio-39 in una trappola ottica. Questa era la parte "universo" del simulatore e aveva una curvatura spaziale correlata alla densità media del BEC. La parte del campo quantico era rappresentata dai fononi, pacchetti quantizzati di energia sonora che si muovevano attraverso il fluido. Questi servivano come analoghi ai fotoni e ad altri campi quantistici fluttuanti nell'universo reale.

Vibrazioni quantizzate

I fononi sono stati creati sparando un laser al BEC. Quando il laser è stato spento, una vibrazione fononica si è diffusa attraverso la gocciolina. Le particelle quantistiche seguono traiettorie determinate dalla curvatura dello spaziotempo in cui si muovono. Quindi, studiando la traiettoria di questi fononi, i ricercatori sono stati in grado di confermare che l'universo simulato aveva la curvatura spaziale a cui miravano.

Infine, l'espansione dello spazio è stata abilmente istituita regolando la forza delle interazioni tra gli atomi nel BEC con i campi magnetici. Diminuendo la forza di interazione diminuisce anche la velocità del suono, che ottiene lo stesso effetto di una corrispondente espansione dello spazio. L'idea è che in uno spazio espanso ci vuole più tempo perché un segnale attraversi la sua lunghezza. Quindi, invece di espandere fisicamente la gocciolina, si può produrre lo stesso effetto rallentando il segnale.

I campi quantistici e uno spaziotempo dinamico interagiscono in modi complessi. Una caratteristica particolarmente curiosa è che uno spazio in espansione può produrre particelle, un effetto simile alla creazione della radiazione di Hawking da parte dei buchi neri. Regolando la lunghezza di diffusione del BEC, gli scienziati hanno sperimentato l'aumento delle dimensioni del loro mini universo in modi diversi, corrispondenti a espansioni uniformi, in accelerazione e in decelerazione.

Semina struttura su larga scala

Ciò che hanno osservato corrispondeva infatti alla produzione di fononi, come previsto. Poiché questi fononi interferivano l'uno con l'altro, producevano modelli di fluttuazioni di densità casuali nel BEC. Avevano così osservato lo stesso fenomeno predetto essere responsabile della semina di strutture su larga scala nell'universo primordiale.

Anche se l'universo simulato è molto diverso dal nostro - per esempio, ha solo due dimensioni spaziali e una diversa curvatura complessiva - questi semplici strumenti potrebbero aiutare gli scienziati a risolvere problemi difficili in futuro.

Gli atomi ultrafreddi si avvicinano alla simulazione dell'universo primordiale

“I modelli cosmologici già semplificati, come quello che abbiamo considerato, possono contenere alcuni dei fenomeni non ben compresi che sono presenti nel nostro universo”, spiega Mario Sparn, uno dei coautori del Natura carta.

Anche questo esperimento di prova di principio conteneva intriganti sorprese. Non solo i fononi venivano prodotti dalle rampe espansive, ma le caratteristiche delle loro oscillazioni collettive dipendevano dal tipo di rampa eseguita. I fononi contenevano informazioni che rivelavano se l'espansione era costante, in accelerazione o in decelerazione. Questa caratteristica interessante, che secondo Sparn è stata compresa solo attraverso l'interazione tra teoria ed esperimento, dimostra le possibilità di perseguire questi studi di laboratorio.

In particolare, i ricercatori sperano di utilizzare questi strumenti per guardare indietro nei primi istanti dell'universo e sondare l'ipotesi che la struttura su larga scala dell'universo abbia un'origine quantistica. Coautore Stefan Floeringer chiede "La teoria dei libri di testo standard è completa o ci sono modi per guardare indietro al periodo prima dell'inflazione indagando le fluttuazioni quantistiche, le correlazioni e l'entanglement in modo più dettagliato?"

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