Et ekspanderende univers simuleres i en kvantedråpe

Dessverre for feltet kosmologi er det bare ett univers. Dette gjør det en stor utfordring å utføre eksperimenter på samme måte som andre vitenskapelige felt. Men det viser seg at universet og kvantefeltene som gjennomsyrer det er svært analoge med kvantevæsker som Bose-Einstein-kondensater (BEC), i det minste fra et matematisk synspunkt. Disse væskene kan være gjenstand for eksperimenter, slik at kosmologi kan studeres i laboratoriet.

I en papir publisert i Natur, har forskere ved Heidelberg University i Tyskland for første gang brukt en BEC for å simulere et ekspanderende univers og visse kvantefelt innenfor det. Dette gjør det mulig å studere viktige kosmologiske scenarier. Ikke bare utvider universet seg for tiden, men det antas at det i de første brøkdelene av et sekund etter Big Bang gjennomgikk en periode med ekstremt rask ekspansjon kjent som "inflasjon". Denne prosessen ville ha utvidet de mikroskopiske svingningene til kvantefeltene i det tidlige universet til størrelsen på galaksehoper, og så den storskala strukturen til universet vårt i dag.

For å studere denne kosmologiske modellen begynte forskerne med en flat dråpe BEC sammensatt av kalium-39 atomer i en optisk felle. Dette var "universet"-delen av simulatoren, og den hadde en romlig krumning som var relatert til den gjennomsnittlige tettheten til BEC. Kvantefeltdelen ble spilt av fononer, kvantiserte pakker med lydenergi som beveget seg gjennom væsken. Disse fungerte som analoger til fotoner og andre kvantefelt som svingte i det faktiske universet.

Kvantiserte vibrasjoner

Fononene ble opprettet ved å avfyre ​​en laser mot BEC. Da laseren ble slått av, spredte en fononvibrasjon seg gjennom dråpen. Kvantepartikler følger baner bestemt av krumningen til romtiden de beveger seg i. Derfor, ved å studere banen til disse fononene, var forskerne i stand til å bekrefte at det simulerte universet hadde den romlige krumningen de siktet mot.

Til slutt ble utvidelsen av rommet på en smart måte innført ved å justere styrken til interaksjoner mellom atomene i BEC med magnetiske felt. Redusering av interaksjonsstyrken reduserer også lydhastigheten, noe som oppnår samme effekt som en tilsvarende utvidelse av rommet. Tanken er at i et utvidet rom tar det lengre tid for et signal å krysse lengden. Så i stedet for fysisk å utvide dråpen, kan man produsere den samme effekten ved å bremse signalet.

Kvantefelt og en dynamisk romtid samhandler på komplekse måter. Et spesielt merkelig trekk er at et ekspanderende rom kan produsere partikler - en effekt som ligner på opprettelsen av Hawking-stråling av sorte hull. Ved å justere spredningslengden til BEC, eksperimenterte forskerne med å "rampe opp" størrelsen på miniuniverset deres på forskjellige måter, tilsvarende ensartede, akselererende og bremsende utvidelser.

Såing av storskala struktur

Det de observerte tilsvarte faktisk produksjonen av fononer, som forventet. Ettersom disse fononene forstyrret hverandre, produserte de mønstre av tilfeldige tetthetssvingninger i BEC. De hadde dermed observert det samme fenomenet som ble spådd å være ansvarlig for såingen av storskala struktur i det tidlige universet.

Selv om det simulerte universet skiller seg veldig fra vårt eget – for eksempel har det bare to romlige dimensjoner og en annen generell krumning – kan disse enkle verktøyene hjelpe forskere med å løse vanskelige problemer i fremtiden.

Ultrakalde atomer beveger seg nærmere å simulere det tidlige universet

"Allerede forenklede kosmologiske modeller, som den vi vurderte, kan inneholde noen av de ikke-velforståtte fenomenene som er til stede i universet vårt," forklarer Marius Sparn, en av medforfatterne av Natur papir.

Selv dette prinsippbevis-eksperimentet inneholdt spennende overraskelser. Ikke bare ble fononer produsert av de ekspansive rampene, men egenskapene til deres kollektive svingninger var avhengig av typen rampe som ble utført. Fononene inneholdt informasjon som avslørte om utvidelsen var konstant, akselererende eller bremsende. Denne interessante funksjonen, som Sparn sier bare ble forstått gjennom samspillet mellom teori og eksperiment, demonstrerer mulighetene for å forfølge disse laboratoriebaserte studiene.

Spesielt håper forskerne å bruke disse verktøyene til å se tilbake til de tidligste øyeblikkene av universet og undersøke hypotesen om at universets storskalastruktur har en kvanteopprinnelse. Medforfatter Stefan Floerchinger spør "Er standard lærebokteori komplett, eller er det måter å se tilbake til perioden før inflasjon ved å undersøke kvantesvingninger, korrelasjoner og sammenfiltring mer detaljert?"

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/