Расширяющаяся Вселенная смоделирована в квантовой капле

К несчастью для области космологии, существует только одна вселенная. Это делает проведение экспериментов таким же образом, как и в других областях науки, довольно сложной задачей. Но оказывается, что Вселенная и квантовые поля, которые ее пронизывают, очень похожи на квантовые жидкости, такие как конденсаты Бозе-Эйнштейна (БЭК), по крайней мере, с математической точки зрения. Эти жидкости могут быть предметом экспериментов, позволяющих изучать космологию в лаборатории.

В бумаги опубликованной в природаИсследователи из Гейдельбергского университета в Германии впервые использовали БЭК для моделирования расширяющейся Вселенной и определенных квантовых полей внутри нее. Это позволяет изучать важные космологические сценарии. В настоящее время Вселенная не только расширяется, но и считается, что в первые доли секунды после Большого взрыва она претерпела период чрезвычайно быстрого расширения, известного как «инфляция». Этот процесс расширил микроскопические флуктуации квантовых полей в ранней Вселенной до размеров скоплений галактик, заложив основы крупномасштабной структуры нашей Вселенной сегодня.

Чтобы изучить эту космологическую модель, исследователи начали с плоской капли БЭК, состоящей из атомов калия-39, в оптической ловушке. Это была «вселенская» часть симулятора, и она имела пространственную кривизну, связанную со средней плотностью БЭК. Роль квантового поля играли фононы, квантованные пакеты звуковой энергии, движущиеся через жидкость. Они служили аналогами фотонам и другим квантовым полям, флуктуирующим в реальной Вселенной.

Квантованные вибрации

Фононы были созданы путем запуска лазера в БЭК. При выключении лазера по капле распространялось фононное колебание. Квантовые частицы следуют траекториям, определяемым кривизной пространства-времени, в котором они движутся. Следовательно, изучая траекторию этих фононов, исследователи смогли подтвердить, что смоделированная Вселенная имеет пространственную кривизну, к которой они стремились.

Наконец, расширение пространства было искусно организовано путем регулирования силы взаимодействия между атомами в БЭК магнитными полями. Уменьшение силы взаимодействия также уменьшает скорость звука, что дает тот же эффект, что и соответствующее расширение пространства. Идея состоит в том, что в расширенном пространстве сигналу требуется больше времени, чтобы пройти его длину. Таким образом, вместо физического расширения капли можно добиться того же эффекта, замедлив сигнал.

Квантовые поля и динамическое пространство-время взаимодействуют сложным образом. Одна особенно любопытная особенность заключается в том, что расширяющееся пространство может производить частицы — эффект, аналогичный созданию излучения Хокинга черными дырами. Настраивая длину рассеяния БЭК, ученые экспериментировали с «увеличением» размера своей мини-вселенной различными способами, соответствующими однородному, ускоряющемуся и замедляющемуся расширению.

Засев крупномасштабной структуры

То, что они наблюдали, на самом деле соответствовало рождению фононов, как и ожидалось. Поскольку эти фононы интерферировали друг с другом, они создавали картины случайных флуктуаций плотности в БЭК. Таким образом, они наблюдали то же самое явление, которое, согласно предсказаниям, было ответственно за зарождение крупномасштабных структур в ранней Вселенной.

Несмотря на то, что смоделированная Вселенная сильно отличается от нашей — например, у нее всего два пространственных измерения и другая общая кривизна — эти простые инструменты могут помочь ученым решать сложные проблемы в будущем.

Ультрахолодные атомы приближаются к моделированию ранней Вселенной

«Уже упрощенные космологические модели, подобные той, которую мы рассмотрели, могут содержать некоторые из не совсем понятых явлений, которые присутствуют в нашей Вселенной», — объясняет Мариус Спарн, один из соавторов природа бумага.

Даже этот экспериментальный эксперимент содержал интригующие сюрпризы. Не только фононы производились экспансионными рампами, но и характеристики их коллективных колебаний зависели от типа выполненной рампы. Фононы содержали информацию, показывающую, было ли расширение постоянным, ускоряющимся или замедляющимся. Эта интересная особенность, которая, по словам Спарна, была понята только благодаря взаимодействию между теорией и экспериментом, демонстрирует возможности проведения этих лабораторных исследований.

В частности, исследователи надеются использовать эти инструменты, чтобы заглянуть в самые ранние моменты существования Вселенной и проверить гипотезу о том, что крупномасштабная структура Вселенной имеет квантовое происхождение. Соавтор Стефан Флерхингер спрашивает: «Является ли теория из стандартных учебников полной или есть способы оглянуться на период до инфляции, более подробно исследуя квантовые флуктуации, корреляции и запутанность?»

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/