Vesolje, ki se širi, je simulirano v kvantni kapljici

Na žalost za področje kozmologije obstaja samo eno vesolje. Zaradi tega je izvajanje eksperimentov na enak način kot na drugih znanstvenih področjih velik izziv. Toda izkazalo se je, da so vesolje in kvantna polja, ki ga prežemajo, zelo analogna kvantnim tekočinam, kot so Bose-Einsteinovi kondenzati (BEC), vsaj z matematičnega vidika. Te tekočine so lahko predmet poskusov, ki omogočajo preučevanje kozmologije v laboratoriju.

V papirja objavljeno v Narava, so raziskovalci na univerzi Heidelberg v Nemčiji prvič uporabili BEC za simulacijo širitve vesolja in določenih kvantnih polj v njem. To omogoča preučevanje pomembnih kozmoloških scenarijev. Ne samo, da se vesolje trenutno širi, ampak se domneva, da je v prvih delčkih sekunde po velikem poku prestalo obdobje izjemno hitre širitve, znano kot "inflacija". Ta proces bi razširil mikroskopska nihanja kvantnih polj v zgodnjem vesolju na velikost jat galaksij, kar bi zasejalo obsežno strukturo našega današnjega vesolja.

Za preučevanje tega kozmološkega modela so raziskovalci začeli s ploščato kapljico BEC, sestavljeno iz atomov kalija-39 v optični pasti. To je bil "vesoljski" del simulatorja in je imel prostorsko ukrivljenost, ki je bila povezana s povprečno gostoto BEC. Vlogo kvantnega polja so igrali fononi, kvantizirani paketi zvočne energije, ki se premikajo skozi tekočino. Ti so služili kot analogi fotonov in drugih kvantnih polj, ki nihajo v dejanskem vesolju.

Kvantizirane vibracije

Fononi so bili ustvarjeni z izstrelitvijo laserja na BEC. Ko je bil laser izklopljen, se je po kapljici širilo fononsko nihanje. Kvantni delci sledijo trajektorijam, ki jih določa ukrivljenost prostora-časa, v katerem se gibljejo. Zato so s proučevanjem poti teh fononov raziskovalci lahko potrdili, da ima simulirano vesolje prostorsko ukrivljenost, ki so jo želeli.

Končno je bilo širjenje prostora premeteno uvedeno s prilagajanjem moči interakcij med atomi v BEC z magnetnimi polji. Zmanjšanje moči interakcije zmanjša tudi hitrost zvoka, kar doseže enak učinek kot ustrezno širjenje prostora. Ideja je, da v razširjenem prostoru traja dlje, da signal prečka njegovo dolžino. Namesto fizičnega širjenja kapljice lahko dosežemo enak učinek z upočasnitvijo signala.

Kvantna polja in dinamični prostor-čas medsebojno delujejo na zapletene načine. Ena posebej zanimiva značilnost je, da lahko prostor, ki se širi, proizvaja delce – učinek, podoben ustvarjanju Hawkingovega sevanja s črnimi luknjami. Z uravnavanjem dolžine sipanja BEC so znanstveniki eksperimentirali z "povečanjem" velikosti svojega mini vesolja na različne načine, ki ustrezajo enakomernemu, pospeševanju in upočasnjevanju širjenja.

Sejanje obsežne strukture

Kar so opazili, je dejansko ustrezalo proizvodnji fononov, kot je bilo pričakovano. Ker so ti fononi interferirali drug z drugim, so ustvarili vzorce naključnih nihanj gostote v BEC. Tako so opazili isti pojav, za katerega so predvidevali, da je odgovoren za sejanje obsežne strukture v zgodnjem vesolju.

Čeprav se simulirano vesolje močno razlikuje od našega – ima na primer samo dve prostorski razsežnosti in drugačno splošno ukrivljenost – lahko ta preprosta orodja pomagajo znanstvenikom pri reševanju težkih problemov v prihodnosti.

Ultrahladni atomi se približajo simulaciji zgodnjega vesolja

"Že poenostavljeni kozmološki modeli, kot je ta, ki smo ga obravnavali, lahko vsebujejo nekatere od slabo razumljenih pojavov, ki so prisotni v našem vesolju," pojasnjuje Marius Sparn, eden od soavtorjev Narava papir.

Celo ta eksperiment dokazovanja načela je vseboval zanimiva presenečenja. Ne le, da so bili fononi proizvedeni z ekspanzijskimi klančinami, ampak so značilnosti njihovih skupnih nihanj odvisne od vrste izvedene rampe. Fononi so vsebovali informacije, ki so razkrile, ali je bila širitev konstantna, pospešena ali upočasnjena. Ta zanimiva značilnost, za katero Sparn pravi, da je bila razumljena le skozi medsebojno delovanje teorije in eksperimenta, prikazuje možnosti izvajanja teh laboratorijskih študij.

Raziskovalci še posebej upajo, da bodo s temi orodji pokukali nazaj v najzgodnejše trenutke vesolja in preizkusili hipotezo, da ima obsežna struktura vesolja kvantni izvor. Soavtor Stefan Floerchinger sprašuje: "Ali je standardna teorija učbenikov popolna ali obstajajo načini, da se ozremo nazaj v obdobje pred inflacijo s podrobnejšim raziskovanjem kvantnih nihanj, korelacije in prepletenosti?"

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/