Um universo em expansão é simulado em uma gota quântica

Infelizmente para o campo da cosmologia, existe apenas um universo. Isso torna a realização de experimentos da mesma forma que em outros campos científicos um grande desafio. Mas acontece que o universo e os campos quânticos que o permeiam são altamente análogos a fluidos quânticos como os condensados ​​de Bose-Einstein (BECs), pelo menos do ponto de vista matemático. Esses fluidos podem ser objeto de experimentos, permitindo que a cosmologia seja estudada em laboratório.

Em um artigo do papel publicado em Natureza, pesquisadores da Universidade de Heidelberg, na Alemanha, usaram pela primeira vez um BEC para simular um universo em expansão e certos campos quânticos dentro dele. Isso permite o estudo de importantes cenários cosmológicos. Não apenas o universo está se expandindo atualmente, mas acredita-se que nas primeiras frações de segundo após o Big Bang ele passou por um período de expansão extremamente rápida conhecido como “inflação”. Esse processo teria expandido as flutuações microscópicas dos campos quânticos no início do universo para o tamanho de aglomerados de galáxias, semeando a estrutura em larga escala do nosso universo hoje.

Para estudar esse modelo cosmológico, os pesquisadores começaram com uma gota plana de BEC composta por átomos de potássio-39 em uma armadilha óptica. Essa era a parte “universal” do simulador e tinha uma curvatura espacial relacionada à densidade média do BEC. A parte do campo quântico era desempenhada por fônons, pacotes quantizados de energia sonora movendo-se através do fluido. Estes serviram como análogos de fótons e outros campos quânticos flutuantes no universo real.

vibrações quantizadas

Os fônons foram criados disparando um laser no BEC. Quando o laser foi desligado, uma vibração de fônon se espalhou pela gota. As partículas quânticas seguem trajetórias determinadas pela curvatura do espaço-tempo em que se movem. Assim, ao estudar a trajetória desses fônons, os pesquisadores puderam confirmar que o universo simulado tinha a curvatura espacial que buscavam.

Finalmente, a expansão do espaço foi habilmente instituída ajustando a força das interações entre os átomos no BEC com os campos magnéticos. Diminuir a força da interação também diminui a velocidade do som, o que atinge o mesmo efeito de uma expansão correspondente do espaço. A ideia é que em um espaço expandido, um sinal leva mais tempo para percorrer seu comprimento. Portanto, em vez de expandir fisicamente a gota, pode-se produzir o mesmo efeito diminuindo a velocidade do sinal.

Campos quânticos e um espaço-tempo dinâmico interagem de maneiras complexas. Uma característica particularmente curiosa é que um espaço em expansão pode produzir partículas – um efeito semelhante à criação de radiação Hawking por buracos negros. Ao ajustar o comprimento de dispersão do BEC, os cientistas experimentaram “aumentar” o tamanho de seu mini universo de diferentes maneiras, correspondendo a expansões uniformes, aceleradas e desaceleradas.

Semeando estrutura em grande escala

O que eles observaram correspondeu de fato à produção de fônons, como esperado. Como esses fônons interferiram uns nos outros, eles produziram padrões de flutuações de densidade aleatórias no BEC. Eles observaram, portanto, o mesmo fenômeno previsto para ser responsável pela semeadura da estrutura em larga escala no início do universo.

Embora o universo simulado seja muito diferente do nosso – por exemplo, ele tem apenas duas dimensões espaciais e uma curvatura geral diferente – essas ferramentas simples podem ajudar os cientistas a resolver problemas difíceis no futuro.

Átomos ultrafrios se aproximam da simulação do início do universo

“Modelos cosmológicos já simplificados, como o que consideramos, podem conter alguns dos fenômenos não bem compreendidos que estão presentes em nosso universo”, explica Marius Spar, um dos coautores do Natureza papel.

Mesmo esse experimento de prova de princípio continha surpresas intrigantes. Não apenas os fônons foram produzidos pelas rampas expansionistas, mas as características de suas oscilações coletivas dependeram do tipo de rampa realizada. Os fônons continham informações que revelavam se a expansão era constante, acelerada ou desacelerada. Essa característica interessante, que Sparn diz ter sido compreendida apenas por meio da interação entre teoria e experimento, demonstra as possibilidades de prosseguir esses estudos baseados em laboratório.

Em particular, os pesquisadores esperam usar essas ferramentas para examinar os primeiros momentos do universo e sondar a hipótese de que a estrutura em grande escala do universo tem uma origem quântica. Co-autor Stefan Floerchinger pergunta: "A teoria padrão do livro didático está completa ou existem maneiras de olhar para o período anterior à inflação, investigando flutuações quânticas, correlações e emaranhamento com mais detalhes?"

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