膨張する宇宙は量子液滴でシミュレートされます

宇宙論の分野にとって残念なことに、宇宙は XNUMX つしかありません。 これにより、他の科学分野と同じ方法で実験を行うことは非常に困難になります。 しかし、宇宙とそれに浸透する量子場は、少なくとも数学的な観点からは、ボーズ・アインシュタイン凝縮体 (BEC) のような量子流体に非常に類似していることが判明しました。 これらの流体は実験の対象となり、研究室で宇宙論を研究することができます。

で 紙 に発表され 自然、ドイツのハイデルベルク大学の研究者は、初めてBECを使用して、膨張する宇宙とその中の特定の量子場をシミュレートしました. これにより、重要な宇宙論的シナリオの研究が可能になります。 宇宙は現在膨張しているだけでなく、ビッグバン後の最初の何分のXNUMXかで、「インフレーション」として知られる非常に急速な膨張の期間を経たと考えられています。 このプロセスは、初期宇宙の量子場の微視的なゆらぎを銀河団のサイズにまで拡大し、今日の宇宙の大規模構造の種をまいたと考えられます。

この宇宙モデルを研究するために、研究者は、光トラップ内のカリウム 39 原子で構成される BEC の平らな液滴から始めました。 これはシミュレーターの「宇宙」部分であり、BEC の平均密度に関連する空間曲率がありました。 量子場の部分は、流体中を移動する音響エネルギーの量子化されたパケットであるフォノンによって演じられました。 これらは、実際の宇宙で変動する光子やその他の量子場の類似物として機能しました。

量子化された振動

フォノンは、BEC でレーザーを発射することによって作成されました。 レーザーをオフにすると、フォノン振動が液滴を介して広がりました。 量子粒子は、移動する時空の曲率によって決定される軌道に従います。 したがって、これらのフォノンの軌道を研究することにより、研究者はシミュレートされた宇宙が彼らが目指していた空間曲率を持っていることを確認することができました。

最後に、BEC 内の原子と磁場との相互作用の強さを調整することによって、空間の拡張が巧みに行われました。 相互作用の強さを減少させると、音速も減少し、対応する空間の拡大と同じ効果が得られます。 アイデアは、拡張された空間では、信号がその長さを通過するのに時間がかかるということです. したがって、液滴を物理的に拡大する代わりに、信号を遅くすることで同じ効果を生み出すことができます。

量子場と動的な時空は複雑に相互作用します。 特に興味深い特徴の XNUMX つは、膨張する空間が粒子を生成できることです。これは、ブラック ホールによるホーキング放射の生成に似た効果です。 BEC の散乱長を調整することにより、科学者は、均一な加速膨張と減速膨張に対応して、さまざまな方法でミニ宇宙のサイズを「ランプアップ」する実験を行いました。

大規模構造のシーディング

彼らが観察したことは、予想通り、実際にフォノンの生成に対応していました。 これらのフォノンが互いに干渉すると、BEC にランダムな密度変動のパターンが生成されました。 このように、彼らは、初期宇宙における大規模構造の種付けの原因であると予測されたのと同じ現象を観察していました。

シミュレートされた宇宙は私たちの宇宙とは大きく異なりますが (たとえば、空間次元が XNUMX つしかなく、全体的な曲率が異なるなど)、これらの単純なツールは、科学者が将来困難な問題を解決するのに役立つ可能性があります。

超低温原子が初期宇宙のシミュレーションに近づく

「私たちが検討したような、すでに単純化された宇宙モデルには、私たちの宇宙に存在するよく理解されていない現象のいくつかが含まれている可能性があります」と説明します。 マリウス・スパーン、共著者の一人 自然 紙。

この原理実証実験でさえ、興味深い驚きが含まれていました。 膨張ランプによってフォノンが生成されただけでなく、それらの集団振動の特性は、実行されたランプの種類に依存していました。 フォノンには、膨張が一定であるか、加速しているか減速しているかを明らかにする情報が含まれていました。 この興味深い特徴は、理論と実験の相互作用を通じてのみ理解されたとスパーンは述べており、これらのラボベースの研究を追求する可能性を示しています。

特に、研究者はこれらのツールを使用して、宇宙の最も初期の瞬間を調べ、宇宙の大規模構造に量子起源があるという仮説を調査したいと考えています。 共著 ステファン・フレヒンガー は、「標準的な教科書の理論は完成していますか?それとも、量子ゆらぎ、相関関係、エンタングルメントをより詳細に調査することによって、インフレーション以前の時代を振り返る方法はありますか?」と尋ねています。

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