Ett expanderande universum simuleras i en kvantdroppe

Tyvärr för fältet kosmologi finns det bara ett universum. Detta gör det till en ganska utmaning att utföra experiment på samma sätt som andra vetenskapliga områden. Men det visar sig att universum och kvantfälten som genomsyrar det är mycket analoga med kvantvätskor som Bose-Einstein-kondensat (BEC), åtminstone ur en matematisk synvinkel. Dessa vätskor kan bli föremål för experiment, vilket gör att kosmologi kan studeras i labbet.

I en papper som publicerades i Natur, har forskare vid Heidelbergs universitet i Tyskland för första gången använt en BEC för att simulera ett expanderande universum och vissa kvantfält inom det. Detta gör det möjligt att studera viktiga kosmologiska scenarier. Universum expanderar inte bara för närvarande, utan man tror att det under de första bråkdelen av en sekund efter Big Bang genomgick en period av extremt snabb expansion, känd som "inflation". Denna process skulle ha utökat de mikroskopiska fluktuationerna av kvantfält i det tidiga universum till storleken på galaxhopar, och sådd den storskaliga strukturen i vårt universum idag.

För att studera denna kosmologiska modell började forskarna med en platt droppe BEC som består av kalium-39-atomer i en optisk fälla. Detta var "universum"-delen av simulatorn, och den hade en rumslig krökning som var relaterad till den genomsnittliga densiteten för BEC. Kvantfältsdelen spelades av fononer, kvantiserade paket av ljudenergi som rörde sig genom vätskan. Dessa fungerade som analoger till fotoner och andra kvantfält som fluktuerar i det faktiska universum.

Kvantiserade vibrationer

Fononerna skapades genom att avfyra en laser mot BEC. När lasern stängdes av spreds en fononvibration genom droppen. Kvantpartiklar följer banor som bestäms av krökningen av den rumtid i vilken de rör sig. Därför kunde forskarna, genom att studera banan för dessa fononer, bekräfta att det simulerade universum hade den rumsliga krökning de siktade på.

Slutligen inleddes expansionen av rymden på ett smart sätt genom att justera styrkan av interaktioner mellan atomerna i BEC med magnetiska fält. Att minska interaktionsstyrkan minskar också ljudhastigheten, vilket ger samma effekt som en motsvarande utvidgning av utrymmet. Tanken är att i ett utökat utrymme tar det längre tid för en signal att korsa sin längd. Så istället för att fysiskt expandera droppen kan man producera samma effekt genom att bromsa signalen.

Kvantfält och en dynamisk rumtid samverkar på komplexa sätt. En särskilt märklig egenskap är att ett expanderande utrymme kan producera partiklar - en effekt som liknar skapandet av Hawking-strålning av svarta hål. Genom att justera spridningslängden på BEC experimenterade forskarna med att "rampa upp" storleken på deras miniuniversum på olika sätt, motsvarande enhetliga, accelererande och bromsande expansioner.

Sådd storskalig struktur

Det de observerade motsvarade faktiskt produktionen av fononer, som förväntat. Eftersom dessa fononer störde varandra, producerade de mönster av slumpmässiga täthetsfluktuationer i BEC. De hade alltså observerat samma fenomen som förutspåddes vara ansvarigt för sådd av storskalig struktur i det tidiga universum.

Även om det simulerade universum skiljer sig mycket från vårt eget – till exempel har det bara två rumsliga dimensioner och en annan övergripande krökning – kan dessa enkla verktyg hjälpa forskare att lösa svåra problem i framtiden.

Ultrakalla atomer kommer närmare att simulera det tidiga universum

"Redan förenklade kosmologiska modeller, som den vi ansåg, kan innehålla några av de oförstådda fenomen som finns i vårt universum," förklarar Marius Sparn, en av medförfattarna till Natur papper.

Även detta proof-of-princip-experiment innehöll spännande överraskningar. Inte bara producerades fononer av de expansiva ramperna, utan egenskaperna hos deras kollektiva svängningar berodde på vilken typ av ramp som utfördes. Fononerna innehöll information som avslöjade om expansionen var konstant, accelererande eller bromsande. Denna intressanta egenskap, som Sparn säger att man bara förstod genom samspelet mellan teori och experiment, visar på möjligheterna att genomföra dessa labbbaserade studier.

I synnerhet hoppas forskarna kunna använda dessa verktyg för att titta tillbaka in i universums tidigaste ögonblick och undersöka hypotesen att universums storskaliga struktur har ett kvantursprung. Medförfattare Stefan Floerchinger frågar "Är standardläroboksteorin komplett, eller finns det sätt att se tillbaka till perioden före inflationen genom att undersöka kvantfluktuationer, korrelationer och förveckling mer i detalj?"

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/