จักรวาลที่กำลังขยายตัวถูกจำลองขึ้นในหยดควอนตัม

จักรวาลที่กำลังขยายตัวถูกจำลองขึ้นในหยดควอนตัม

ประทับเวลา: 22 มีนาคม 2023 7:32 น

ภาพประกอบของ BEC ที่จำลองจักรวาลที่กำลังขยายตัว
ใหญ่และเล็ก: ภาพประกอบของวิธีการใช้คอนเดนเสทขนาดเล็กของโบส-ไอน์สไตน์เพื่อจำลองการขยายตัวของอวกาศที่เกิดขึ้นหลังจากบิกแบง (เอื้อเฟื้อภาพ: แคมป์เบลล์ แมคเลาช์แลน)

น่าเสียดายสำหรับสาขาจักรวาลวิทยามีเพียงจักรวาลเดียวเท่านั้น สิ่งนี้ทำให้การทดลองในลักษณะเดียวกับสาขาวิทยาศาสตร์อื่นค่อนข้างท้าทาย แต่กลับกลายเป็นว่าจักรวาลและสนามควอนตัมที่แทรกซึมอยู่ในนั้นมีความคล้ายคลึงกับของไหลควอนตัมอย่างมาก เช่น Bose-Einstein condensates (BECs) อย่างน้อยก็จากมุมมองทางคณิตศาสตร์ ของเหลวเหล่านี้สามารถเป็นเรื่องของการทดลอง ทำให้สามารถศึกษาจักรวาลวิทยาในห้องปฏิบัติการได้

ใน กระดาษ ตีพิมพ์ใน ธรรมชาติเป็นครั้งแรกที่นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยไฮเดลเบิร์กในเยอรมนีใช้ BEC เพื่อจำลองเอกภพที่กำลังขยายตัวและเขตข้อมูลควอนตัมบางส่วนภายในนั้น สิ่งนี้ทำให้สามารถศึกษาสถานการณ์จักรวาลวิทยาที่สำคัญได้ ไม่เพียงแต่เอกภพกำลังขยายตัวเท่านั้น แต่เชื่อกันว่าในเสี้ยววินาทีแรกหลังบิกแบง เอกภพจะเกิดการขยายตัวอย่างรวดเร็วมากที่เรียกว่า "เงินเฟ้อ" กระบวนการนี้จะขยายความผันผวนในระดับจุลภาคของสนามควอนตัมในเอกภพยุคแรกให้มีขนาดเท่ากระจุกดาราจักร ทำให้เกิดโครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพของเราในปัจจุบัน

ในการศึกษาแบบจำลองจักรวาลวิทยานี้ นักวิจัยเริ่มต้นด้วยหยด BEC แบบแบนที่ประกอบด้วยอะตอมโพแทสเซียม-39 ในกับดักแสง นี่คือส่วน "จักรวาล" ของเครื่องจำลอง และมีความโค้งเชิงพื้นที่ที่เกี่ยวข้องกับความหนาแน่นเฉลี่ยของ BEC ส่วนของสนามควอนตัมถูกเล่นโดยโฟนัน ซึ่งเป็นแพ็คเก็ตของพลังงานเสียงเชิงปริมาณที่เคลื่อนที่ผ่านของไหล สิ่งเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นอะนาล็อกกับโฟตอนและสนามควอนตัมอื่น ๆ ที่ผันผวนในจักรวาลจริง

การสั่นสะเทือนเชิงปริมาณ

โฟนันถูกสร้างขึ้นโดยการยิงเลเซอร์ที่บีอีซี เมื่อปิดเลเซอร์ การสั่นสะเทือนแบบโฟนอนจะกระจายไปทั่วหยด อนุภาคควอนตัมเคลื่อนไปตามวิถีที่กำหนดโดยความโค้งของกาลอวกาศที่มันเคลื่อนที่ ดังนั้น จากการศึกษาเส้นทางการเคลื่อนที่ของโฟนันเหล่านี้ นักวิจัยสามารถยืนยันได้ว่าเอกภพจำลองมีความโค้งเชิงพื้นที่ที่พวกเขาต้องการ

ในที่สุด การขยายตัวของอวกาศได้รับการจัดตั้งขึ้นอย่างชาญฉลาดโดยการปรับความแรงของอันตรกิริยาระหว่างอะตอมใน BEC กับสนามแม่เหล็ก การลดความแรงของการโต้ตอบยังลดความเร็วของเสียง ซึ่งให้ผลเช่นเดียวกับการขยายพื้นที่ที่สอดคล้องกัน แนวคิดคือในพื้นที่ที่ขยายออก สัญญาณจะใช้เวลานานขึ้นในการเคลื่อนที่ผ่านความยาวของมัน ดังนั้น แทนที่จะขยายหยดทางร่างกาย เราสามารถให้ผลแบบเดียวกันได้โดยการทำให้สัญญาณช้าลง

การแพร่กระจายของสสารในจักรวาล
เช่นเดียวกับของจริง: ความหนาแน่นที่วัดได้ของ BEC ก่อน (ซ้าย) และหลัง (กลาง) ทางลาดพองตัว การเพิ่มขึ้นของความเป็นเม็ดเป็นผลจากความผันผวนของความหนาแน่นที่มากขึ้น ซึ่งเป็นผลมาจากการขยายตัวทำให้เกิดโฟนันในของเหลว ปรากฏการณ์เดียวกันนี้ถือเป็นสาเหตุของการกระจายสสารขนาดใหญ่ในเอกภพ การกระจายนี้แสดงให้เห็นทางด้านขวาโดยส่วนหนึ่งของการจำลองการกระจายสสารมืดในเอกภพในปัจจุบัน (ขอบคุณ: C Viermann อัล et/ธรรมชาติ, Volker Springel/Max Planck Institute สำหรับฟิสิกส์ดาราศาสตร์/CC BY-SA 4.0)

สนามควอนตัมและกาลอวกาศแบบไดนามิกมีปฏิสัมพันธ์ในรูปแบบที่ซับซ้อน คุณลักษณะที่น่าสงสัยเป็นพิเศษประการหนึ่งคือพื้นที่ที่ขยายออกสามารถผลิตอนุภาคได้ ซึ่งมีผลคล้ายกับการสร้างรังสีฮอว์คิงโดยหลุมดำ ด้วยการปรับความยาวกระเจิงของ BEC นักวิทยาศาสตร์ได้ทดลอง "เพิ่มขนาด" ขนาดของจักรวาลขนาดเล็กด้วยวิธีต่างๆ ซึ่งสอดคล้องกับการขยายตัวที่สม่ำเสมอ เร่งและลดความเร็ว

การเพาะโครงสร้างขนาดใหญ่

สิ่งที่พวกเขาสังเกตเห็นนั้นสอดคล้องกับการผลิตโฟนันตามที่คาดไว้ เมื่อโฟนอนเหล่านี้รบกวนซึ่งกันและกัน พวกมันสร้างรูปแบบของความผันผวนของความหนาแน่นแบบสุ่มใน BEC ดังนั้นพวกเขาจึงได้สังเกตเห็นปรากฏการณ์เดียวกันที่คาดการณ์ไว้ว่าจะมีส่วนในการก่อกำเนิดโครงสร้างขนาดใหญ่ในเอกภพในยุคแรกเริ่ม

แม้ว่าเอกภพจำลองจะแตกต่างจากเอกภพของเราอย่างมาก ตัวอย่างเช่น เอกภพมีมิติเชิงพื้นที่เพียงสองมิติและความโค้งโดยรวมที่แตกต่างกัน เครื่องมือง่ายๆ เหล่านี้อาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์แก้ปัญหาที่ยากในอนาคตได้

“แบบจำลองจักรวาลวิทยาที่ง่ายอยู่แล้ว เช่นเดียวกับที่เราพิจารณา อาจมีปรากฏการณ์ที่ไม่เข้าใจบางอย่างที่มีอยู่ในจักรวาลของเรา” อธิบาย มาริอุส สปาร์นหนึ่งในผู้เขียนร่วมของ ธรรมชาติ กระดาษ

แม้แต่การทดลองพิสูจน์หลักการนี้ก็ยังมีเรื่องน่าประหลาดใจ โฟนอนไม่เพียงผลิตโดยทางลาดขยายเท่านั้น แต่ลักษณะของการสั่นโดยรวมนั้นขึ้นอยู่กับประเภทของทางลาดที่ดำเนินการ โฟนอนมีข้อมูลที่เปิดเผยว่าการขยายตัวนั้นคงที่ เร่งขึ้น หรือช้าลง คุณลักษณะที่น่าสนใจนี้ซึ่ง Sparn กล่าวว่าเข้าใจได้จากการทำงานร่วมกันระหว่างทฤษฎีและการทดลองเท่านั้น แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการศึกษาตามห้องปฏิบัติการเหล่านี้

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นักวิจัยหวังว่าจะใช้เครื่องมือเหล่านี้เพื่อมองย้อนกลับไปในช่วงเวลาแรกสุดของเอกภพ และสำรวจสมมติฐานที่ว่าโครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพมีต้นกำเนิดควอนตัม ผู้เขียนร่วม สเตฟาน โฟลเออร์ชิงเกอร์ ถามว่า "ทฤษฎีหนังสือเรียนมาตรฐานเสร็จสมบูรณ์แล้ว หรือมีวิธีที่จะมองย้อนกลับไปในช่วงก่อนเกิดเงินเฟ้อโดยการตรวจสอบความผันผวนของควอนตัม ความสัมพันธ์ และความยุ่งเหยิงในรายละเอียดเพิ่มเติม"

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์