Rozszerzający się wszechświat jest symulowany w kropli kwantowej

Na nieszczęście dla kosmologii istnieje tylko jeden wszechświat. To sprawia, że ​​przeprowadzanie eksperymentów w taki sam sposób, jak w innych dziedzinach nauki, jest nie lada wyzwaniem. Okazuje się jednak, że wszechświat i przenikające go pola kwantowe są wysoce analogiczne do płynów kwantowych, takich jak kondensaty Bosego-Einsteina (BEC), przynajmniej z matematycznego punktu widzenia. Płyny te mogą być przedmiotem eksperymentów, umożliwiając badanie kosmologii w laboratorium.

W papier opublikowane w Natura, naukowcy z Uniwersytetu w Heidelbergu w Niemczech po raz pierwszy użyli BEC do symulacji rozszerzającego się Wszechświata i pewnych pól kwantowych w jego obrębie. Pozwala to na badanie ważnych scenariuszy kosmologicznych. Wszechświat nie tylko obecnie się rozszerza, ale uważa się, że w pierwszych ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu przeszedł okres niezwykle szybkiego rozszerzania się, zwanego „inflacją”. Proces ten rozszerzyłby mikroskopijne fluktuacje pól kwantowych we wczesnym Wszechświecie do rozmiarów gromad galaktyk, zasiewając wielkoskalową strukturę naszego dzisiejszego Wszechświata.

Aby zbadać ten model kosmologiczny, naukowcy rozpoczęli od płaskiej kropli BEC złożonej z atomów potasu-39 w pułapce optycznej. To była „wszechświatowa” część symulatora i miała przestrzenną krzywiznę związaną ze średnią gęstością BEC. Rolę pola kwantowego odgrywały fonony, skwantyzowane pakiety energii dźwiękowej poruszające się w płynie. Służyły one jako odpowiedniki fotonów i innych pól kwantowych zmieniających się w rzeczywistym wszechświecie.

Skwantowane wibracje

Fonony powstały przez wystrzelenie lasera w BEC. Gdy laser był wyłączony, w kropli rozchodziły się wibracje fononowe. Cząstki kwantowe poruszają się po trajektoriach określonych przez krzywiznę czasoprzestrzeni, w której się poruszają. W związku z tym, badając trajektorię tych fononów, naukowcy byli w stanie potwierdzić, że symulowany wszechświat ma krzywiznę przestrzenną, do której dążyli.

Wreszcie, sprytnie zainicjowano ekspansję przestrzeni, dostosowując siłę oddziaływań między atomami w BEC za pomocą pól magnetycznych. Zmniejszenie siły interakcji zmniejsza również prędkość dźwięku, co daje taki sam efekt, jak odpowiednie rozszerzenie przestrzeni. Chodzi o to, że w rozszerzonej przestrzeni sygnał potrzebuje więcej czasu na pokonanie swojej długości. Zamiast więc fizycznie rozszerzać kroplę, można uzyskać ten sam efekt, spowalniając sygnał.

Pola kwantowe i dynamiczna czasoprzestrzeń oddziałują na siebie w złożony sposób. Szczególnie ciekawą cechą jest to, że rozszerzająca się przestrzeń może wytwarzać cząstki – efekt podobny do tworzenia promieniowania Hawkinga przez czarne dziury. Dostrajając długość rozpraszania BEC, naukowcy eksperymentowali z „zwiększaniem” rozmiaru ich miniwszechświata na różne sposoby, odpowiadające jednorodnym, przyspieszającym i zwalniającym ekspansjom.

Wysiewanie struktury na dużą skalę

To, co zaobserwowali, w rzeczywistości odpowiadało produkcji fononów, zgodnie z oczekiwaniami. Gdy te fonony interferowały ze sobą, wytworzyły wzorce losowych fluktuacji gęstości w BEC. W ten sposób zaobserwowali to samo zjawisko, które według przewidywań było odpowiedzialne za zasiewanie wielkoskalowych struktur we wczesnym wszechświecie.

Chociaż symulowany wszechświat znacznie różni się od naszego – na przykład ma tylko dwa wymiary przestrzenne i inną ogólną krzywiznę – te proste narzędzia mogą pomóc naukowcom w rozwiązywaniu trudnych problemów w przyszłości.

Ultrazimne atomy zbliżają się do symulacji wczesnego wszechświata

„Już uproszczone modele kosmologiczne, takie jak ten, który rozważaliśmy, mogą zawierać niektóre z niezbyt dobrze poznanych zjawisk występujących w naszym wszechświecie”, wyjaśnia Mariusza Sparna, jeden ze współautorów tzw Natura papieru.

Nawet ten eksperyment potwierdzający zasadę zawierał intrygujące niespodzianki. Nie tylko fonony były wytwarzane przez rampy ekspansyjne, ale charakterystyka ich zbiorowych oscylacji zależała od rodzaju wykonywanej rampy. Fonony zawierały informacje, które ujawniały, czy ekspansja była stała, przyspieszała czy zwalniała. Ta interesująca cecha, która według Sparna została zrozumiana tylko poprzez wzajemne oddziaływanie teorii i eksperymentu, pokazuje możliwości prowadzenia tych badań laboratoryjnych.

W szczególności naukowcy mają nadzieję, że wykorzystają te narzędzia do zajrzenia wstecz do najwcześniejszych momentów wszechświata i zbadania hipotezy, że wielkoskalowa struktura wszechświata ma pochodzenie kwantowe. Współautor Stefana Floerchingera pyta: „Czy standardowa teoria podręcznikowa jest kompletna, czy też istnieją sposoby, by spojrzeć wstecz na okres przed inflacją, badając bardziej szczegółowo fluktuacje kwantowe, korelacje i splątanie?”

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/