Un univers în expansiune este simulat într-o picătură cuantică

Din păcate pentru domeniul cosmologiei, există un singur univers. Acest lucru face ca efectuarea experimentelor în același mod ca și alte domenii științifice să fie o provocare. Dar se dovedește că universul și câmpurile cuantice care îl pătrund sunt foarte analoge cu fluidele cuantice precum condensatele Bose-Einstein (BEC), cel puțin din punct de vedere matematic. Aceste fluide pot face obiectul unor experimente, permițând studierea cosmologiei în laborator.

Într-o hârtie publicat în Natură, cercetătorii de la Universitatea Heidelberg din Germania au folosit pentru prima dată un BEC pentru a simula un univers în expansiune și anumite câmpuri cuantice din acesta. Acest lucru permite studiul unor scenarii cosmologice importante. Nu numai că universul se extinde în prezent, dar se crede că în primele fracțiuni de secundă după Big Bang a trecut printr-o perioadă de expansiune extrem de rapidă cunoscută sub numele de „inflație”. Acest proces ar fi extins fluctuațiile microscopice ale câmpurilor cuantice din universul timpuriu la dimensiunea clusterelor de galaxii, însămânțând structura pe scară largă a universului nostru de astăzi.

Pentru a studia acest model cosmologic, cercetătorii au început cu o picătură plată de BEC compusă din atomi de potasiu-39 într-o capcană optică. Aceasta a fost partea „univers” a simulatorului și avea o curbură spațială care era legată de densitatea medie a BEC. Rolul câmpului cuantic a fost jucat de fononi, pachete cuantificate de energie sonoră care se mișcă prin fluid. Acestea au servit ca analogi cu fotonii și alte câmpuri cuantice care fluctuează în universul actual.

Vibrații cuantificate

Fononii au fost creați prin tragerea unui laser la BEC. Când laserul a fost oprit, o vibrație de fonon s-a răspândit prin picătură. Particulele cuantice urmează traiectorii determinate de curbura spațiu-timpului în care se mișcă. Prin urmare, studiind traiectoria acestor fononi, cercetătorii au putut confirma că universul simulat avea curbura spațială pe care o urmăreau.

În cele din urmă, expansiunea spațiului a fost instituită inteligent prin ajustarea puterii interacțiunilor dintre atomii din BEC cu câmpurile magnetice. Scăderea forței de interacțiune scade și viteza sunetului, ceea ce obține același efect ca o expansiune corespunzătoare a spațiului. Ideea este că, într-un spațiu extins, este nevoie de mai mult timp pentru ca un semnal să-și parcurgă lungimea. Deci, în loc să extindeți fizic picătura, se poate produce același efect prin încetinirea semnalului.

Câmpurile cuantice și un spațiu-timp dinamic interacționează în moduri complexe. O caracteristică deosebit de curioasă este că un spațiu în expansiune poate produce particule - un efect similar cu crearea radiației Hawking de către găurile negre. Prin reglarea lungimii de împrăștiere a BEC, oamenii de știință au experimentat „creșterea” dimensiunii mini-universului lor în moduri diferite, corespunzând expansiunilor uniforme, accelerate și deceleratoare.

Semănat structura pe scară largă

Ceea ce au observat corespundea de fapt cu producția de fononi, așa cum era de așteptat. Pe măsură ce acești fononi au interferat unul cu celălalt, au produs modele de fluctuații ale densității aleatorii în BEC. Ei observaseră astfel același fenomen despre care se prevedea că ar fi responsabil pentru însămânțarea structurii la scară largă în universul timpuriu.

Chiar dacă universul simulat diferă foarte mult de al nostru – de exemplu, are doar două dimensiuni spațiale și o curbură generală diferită – aceste instrumente simple pot ajuta oamenii de știință să rezolve probleme dificile în viitor.

Atomii ultrareci se apropie de simularea universului timpuriu

„Modelele cosmologice deja simplificate, precum cel pe care l-am considerat, pot conține unele dintre fenomenele neînțelese care sunt prezente în universul nostru”, explică. Marius Sparn, unul dintre coautorii lucrării Natură hârtie.

Chiar și acest experiment de dovadă a principiului a conținut surprize interesante. Nu numai că fononii erau produși de rampele de expansiune, dar caracteristicile oscilațiilor lor colective depindeau de tipul de rampă efectuat. Fononii conțineau informații care dezvăluie dacă expansiunea era constantă, accelerând sau decelerare. Această caracteristică interesantă, despre care Sparn spune că a fost înțeleasă doar prin interacțiunea dintre teorie și experiment, demonstrează posibilitățile de a continua aceste studii de laborator.

În special, cercetătorii speră să folosească aceste instrumente pentru a privi înapoi în primele momente ale universului și pentru a sonda ipoteza conform căreia structura pe scară largă a universului are o origine cuantică. Coautor Stefan Floerchinger întreabă „Este completă teoria manuală standard sau există modalități de a privi înapoi la perioada de dinaintea inflației prin investigarea mai detaliată a fluctuațiilor cuantice, a corelațiilor și a încordării?”

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/