יקום מתרחב מדומה בטיפה קוונטית

לרוע המזל עבור תחום הקוסמולוגיה, יש רק יקום אחד. זה הופך את ביצוע ניסויים באותו אופן כמו תחומים מדעיים אחרים לאתגר לא קטן. אבל מסתבר שהיקום והשדות הקוונטיים שמחלחלים אליו מאוד אנלוגיים לנוזלים קוונטיים כמו עיבוי Bose-Instein (BEC), לפחות מנקודת מבט מתמטית. נוזלים אלה יכולים להיות נושא לניסויים, המאפשרים ללמוד את הקוסמולוגיה במעבדה.

ב מאמר פורסם ב טבע, חוקרים מאוניברסיטת היידלברג בגרמניה השתמשו לראשונה ב-BEC כדי לדמות יקום מתרחב ושדות קוונטיים מסוימים בתוכו. זה מאפשר לחקור תרחישים קוסמולוגיים חשובים. לא רק שהיקום מתרחב כרגע, אלא שמאמינים שבחלקיקים הראשונים של השניה לאחר המפץ הגדול הוא עבר תקופה של התפשטות מהירה ביותר המכונה "אינפלציה". תהליך זה היה מרחיב את התנודות המיקרוסקופיות של שדות קוונטיים ביקום המוקדם לגודל של צבירי גלקסיות, וזרע את המבנה בקנה מידה גדול של היקום שלנו כיום.

כדי לחקור את המודל הקוסמולוגי הזה, החוקרים התחילו עם טיפה שטוחה של BEC המורכבת מאשלגן-39 אטומים במלכודת אופטית. זה היה חלק ה"יקום" של הסימולטור, והיה לו עקמומיות מרחבית הקשורה לצפיפות הממוצעת של ה-BEC. את חלק השדה הקוונטי שיחקו פונונים, חבילות קוונטיות של אנרגיית קול נעות דרך הנוזל. אלה שימשו אנלוגים לפוטונים ולשדות קוונטיים אחרים שהתנודדו ביקום האמיתי.

רעידות כמותיות

הפונונים נוצרו על ידי ירי לייזר לעבר BEC. כאשר הלייזר כבה, רטט פונון התפשט דרך הטיפה. חלקיקים קוונטיים עוקבים אחר מסלולים שנקבעים על פי העקמומיות של מרחב הזמן שבו הם נעים. לפיכך, על ידי לימוד מסלולם של הפונונים הללו, החוקרים הצליחו לאשר שליקום המדומה יש את העקמומיות המרחבית שאליה כיוונו.

לבסוף, הרחבת החלל הוקמה בחוכמה על ידי התאמת חוזק האינטראקציות בין האטומים ב-BEC עם שדות מגנטיים. הפחתת עוצמת האינטראקציה מפחיתה גם את מהירות הקול, מה שמשיג את אותו אפקט כמו הרחבה מקבילה של החלל. הרעיון הוא שבמרחב מורחב, לוקח יותר זמן לאות לחצות את אורכו. אז במקום להרחיב פיזית את הטיפה, אפשר לייצר את אותו אפקט על ידי האטת האות.

שדות קוונטיים ומרחב זמן דינמי מקיימים אינטראקציה בדרכים מורכבות. תכונה מוזרה במיוחד היא שחלל מתרחב יכול לייצר חלקיקים - אפקט דומה ליצירת קרינת הוקינג על ידי חורים שחורים. על ידי כוונון אורך הפיזור של ה-BEC, המדענים ערכו ניסויים "להגדיל" את גודל היקום המיני שלהם בדרכים שונות, בהתאמה להתרחבות אחידה, מואצת ומאטה.

זריעה של מבנה בקנה מידה גדול

מה שהם צפו אכן התאים לייצור פונונים, כצפוי. כאשר הפונונים הללו הפריעו זה לזה, הם יצרו דפוסים של תנודות צפיפות אקראיות ב-BEC. לפיכך הם צפו באותה תופעה שצפויה להיות אחראית לזריעת מבנה בקנה מידה גדול ביקום המוקדם.

למרות שהיקום המדומה שונה מאוד משלנו - למשל, יש לו רק שני ממדים מרחביים ועקמומיות כללית שונה - הכלים הפשוטים האלה עשויים לעזור למדענים לפתור בעיות קשות בעתיד.

אטומים אולטרה-קרים מתקרבים יותר להדמיית היקום המוקדם

"כבר מודלים קוסמולוגיים מפושטים, כמו זה שחשבנו עליו, יכולים להכיל כמה מהתופעות הלא מובנות היטב שקיימות ביקום שלנו", מסביר מריוס ספרן, אחד מחברי השותפים של ה טבע נייר.

אפילו ניסוי הוכחת העיקרון הזה הכיל הפתעות מסקרנות. לא רק שפונונים הופקו על ידי הרמפות המרחיבות, אלא שמאפייני התנודות הקולקטיביות שלהם היו תלויים בסוג הרמפה שבוצעה. הפונונים הכילו מידע שחשף האם ההתרחבות הייתה קבועה, מואצת או מאטה. תכונה מעניינת זו, שלדברי ספרן הובנה רק דרך משחק הגומלין בין תיאוריה לניסוי, מדגימה את האפשרויות להמשיך במחקרים מבוססי מעבדה אלה.

בפרט, החוקרים מקווים להשתמש בכלים הללו כדי להציץ לאחור אל הרגעים המוקדמים ביותר של היקום ולבחון את ההשערה שלמבנה בקנה מידה גדול של היקום יש מקור קוונטי. מחבר שותף סטפן פלורצ'ינגר שואל "האם תורת ספרי הלימוד הסטנדרטית שלמה, או שמא יש דרכים להסתכל אחורה לתקופה שלפני האינפלציה על ידי חקירת תנודות קוונטיות, מתאמים והסתבכות ביתר פירוט?"

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. ידע מוגבר. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/