Een uitdijend heelal wordt gesimuleerd in een kwantumdruppel

Helaas voor de kosmologie is er maar één universum. Dit maakt het uitvoeren van experimenten op dezelfde manier als andere wetenschapsgebieden een hele uitdaging. Maar het blijkt dat het universum en de kwantumvelden die het doordringen in hoge mate analoog zijn aan kwantumvloeistoffen zoals Bose-Einstein-condensaten (BEC's), althans vanuit wiskundig oogpunt. Met deze vloeistoffen kan worden geëxperimenteerd, waardoor de kosmologie in het laboratorium kan worden bestudeerd.

In een papier gepubliceerd NATUURhebben onderzoekers van de Universiteit van Heidelberg in Duitsland voor het eerst een BEC gebruikt om een ​​uitdijend heelal en bepaalde kwantumvelden daarin te simuleren. Dit maakt de studie van belangrijke kosmologische scenario's mogelijk. Niet alleen breidt het universum zich momenteel uit, maar er wordt aangenomen dat het in de eerste fracties van een seconde na de oerknal een periode van extreem snelle expansie doormaakte die bekend staat als "inflatie". Dit proces zou de microscopische fluctuaties van kwantumvelden in het vroege universum hebben uitgebreid tot de grootte van clusters van sterrenstelsels, waardoor de grootschalige structuur van ons universum van vandaag is ontstaan.

Om dit kosmologische model te bestuderen, begonnen de onderzoekers met een platte druppel BEC bestaande uit kalium-39-atomen in een optische val. Dit was het "universum" -gedeelte van de simulator en het had een ruimtelijke kromming die verband hield met de gemiddelde dichtheid van de BEC. De rol van het kwantumveld werd gespeeld door fononen, gekwantiseerde pakketjes geluidsenergie die door de vloeistof bewogen. Deze dienden als analogen voor fotonen en andere kwantumvelden die fluctueerden in het eigenlijke universum.

Gekwantiseerde trillingen

De fononen zijn gemaakt door een laser op de BEC af te vuren. Toen de laser werd uitgeschakeld, verspreidde zich een fonontrilling door de druppel. Kwantumdeeltjes volgen banen die worden bepaald door de kromming van de ruimtetijd waarin ze bewegen. Door het traject van deze fononen te bestuderen, konden de onderzoekers dus bevestigen dat het gesimuleerde universum de ruimtelijke kromming had waarnaar ze streefden.

Ten slotte is de uitbreiding van de ruimte slim in gang gezet door de sterkte van interacties tussen de atomen in het BEC aan te passen met magnetische velden. Door de interactiesterkte te verminderen, neemt ook de geluidssnelheid af, wat hetzelfde effect bereikt als een overeenkomstige uitbreiding van de ruimte. Het idee is dat het in een uitgebreide ruimte langer duurt voordat een signaal zijn lengte doorkruist. Dus in plaats van de druppel fysiek uit te zetten, kan men hetzelfde effect produceren door het signaal te vertragen.

Kwantumvelden en een dynamische ruimtetijd werken op complexe manieren samen. Een bijzonder merkwaardig kenmerk is dat een uitdijende ruimte deeltjes kan produceren - een effect vergelijkbaar met het creëren van Hawking-straling door zwarte gaten. Door de verstrooiingslengte van de BEC af te stemmen, experimenteerden de wetenschappers met het "opvoeren" van de grootte van hun mini-universum op verschillende manieren, overeenkomend met uniforme, versnellende en vertragende expansies.

Zaaien grootschalige structuur

Wat ze waarnamen, kwam inderdaad overeen met de productie van fononen, zoals verwacht. Omdat deze fononen met elkaar interfereerden, produceerden ze patronen van willekeurige dichtheidsfluctuaties in de BEC. Ze hadden dus hetzelfde fenomeen waargenomen waarvan voorspeld was dat het verantwoordelijk zou zijn voor het zaaien van grootschalige structuren in het vroege universum.

Ook al verschilt het gesimuleerde universum enorm van het onze – het heeft bijvoorbeeld slechts twee ruimtelijke dimensies en een andere algehele kromming – deze eenvoudige hulpmiddelen kunnen wetenschappers helpen om in de toekomst moeilijke problemen op te lossen.

Ultrakoude atomen komen dichter bij het simuleren van het vroege universum

"Reeds vereenvoudigde kosmologische modellen, zoals degene die we hebben overwogen, kunnen enkele van de niet goed begrepen fenomenen bevatten die aanwezig zijn in ons universum", legt uit Marius Spart, een van de co-auteurs van de NATUUR papier.

Zelfs dit proof-of-principle-experiment bevatte intrigerende verrassingen. Niet alleen werden fononen geproduceerd door de expansiehellingen, maar de kenmerken van hun collectieve oscillaties waren ook afhankelijk van het type helling dat werd uitgevoerd. De fononen bevatten informatie die onthulde of de expansie constant, versnellend of vertragend was. Dit interessante kenmerk, waarvan Sparn zegt dat het alleen werd begrepen door de wisselwerking tussen theorie en experiment, toont de mogelijkheden aan om deze laboratoriumstudies voort te zetten.

De onderzoekers hopen met name deze tools te gebruiken om terug te kijken in de vroegste momenten van het universum en de hypothese te onderzoeken dat de grootschalige structuur van het universum een ​​kwantumoorsprong heeft. Co-auteur Stefan Floerchinger vraagt: "Is de theorie uit het standaardhandboek volledig, of zijn er manieren om terug te kijken naar de periode vóór inflatie door kwantumfluctuaties, correlaties en verstrengeling in meer detail te onderzoeken?"

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/