Всесвіт, що розширюється, моделюється в квантовій краплі

На жаль, для галузі космології існує лише один Всесвіт. Це робить проведення експериментів так само, як і в інших наукових областях, досить складним завданням. Але виявляється, що Всесвіт і квантові поля, які його пронизують, дуже схожі на квантові рідини, такі як конденсати Бозе-Ейнштейна (БЕК), принаймні з математичної точки зору. Ці рідини можуть бути предметом експериментів, що дозволить вивчати космологію в лабораторії.

В папір опубліковані в природаДослідники з Гейдельберзького університету в Німеччині вперше використали BEC для моделювання Всесвіту, що розширюється, і певних квантових полів у ньому. Це дозволяє вивчати важливі космологічні сценарії. Зараз Всесвіт не тільки розширюється, але й вважається, що в перші частки секунди після Великого вибуху він зазнав період надзвичайно швидкого розширення, відомого як «інфляція». Цей процес розширив би мікроскопічні флуктуації квантових полів у ранньому Всесвіті до розміру скупчень галактик, засіявши великомасштабну структуру нашого Всесвіту сьогодні.

Щоб вивчити цю космологічну модель, дослідники почали з плоскої краплі BEC, що складається з атомів калію-39 в оптичній пастці. Це була частина «всесвіту» симулятора, і вона мала просторову кривизну, пов’язану із середньою щільністю BEC. Роль квантового поля відігравали фонони, квантовані пакети звукової енергії, що рухалися через рідину. Вони слугували аналогами фотонів та інших квантових полів, що коливаються у реальному Всесвіті.

Квантовані коливання

Фонони були створені шляхом випромінювання лазера на BEC. Коли лазер був вимкнений, фононне коливання поширювалося крізь краплю. Квантові частинки рухаються траєкторіями, що визначаються кривизною простору-часу, в якому вони рухаються. Отже, вивчаючи траєкторію цих фононів, дослідники змогли підтвердити, що змодельований Всесвіт має просторову кривизну, до якої вони прагнули.

Нарешті, розширення простору було спритно запроваджено шляхом регулювання сили взаємодії між атомами в BEC за допомогою магнітних полів. Зменшення сили взаємодії також зменшує швидкість звуку, що досягає такого ж ефекту, як і відповідне розширення простору. Ідея полягає в тому, що в розширеному просторі сигналу потрібно більше часу, щоб подолати його довжину. Тож замість того, щоб фізично розширювати краплю, можна створити той самий ефект, уповільнивши сигнал.

Квантові поля та динамічний простір-час взаємодіють складними способами. Однією особливо цікавою особливістю є те, що простір, що розширюється, може виробляти частинки – ефект, подібний до створення випромінювання Хокінга чорними дірами. Налаштовуючи довжину розсіювання BEC, вчені експериментували зі «збільшенням» розміру свого міні-всесвіту різними способами, відповідно до рівномірного, прискореного та уповільненого розширення.

Посів великомасштабної структури

Те, що вони спостерігали, насправді відповідало утворенню фононів, як і очікувалося. Оскільки ці фонони заважали один одному, вони створювали шаблони випадкових флуктуацій щільності в BEC. Таким чином, вони спостерігали те саме явище, яке, за прогнозами, було відповідальним за зародження великомасштабної структури в ранньому Всесвіті.

Незважаючи на те, що змодельований Всесвіт значно відрізняється від нашого власного – наприклад, він має лише два просторові виміри та іншу загальну кривизну – ці прості інструменти можуть допомогти вченим вирішувати складні проблеми в майбутньому.

Ультрахолодні атоми наближаються до симуляції раннього Всесвіту

«Уже спрощені космологічні моделі, подібні до розглянутої нами, можуть містити деякі з недостатньо зрозумілих явищ, які присутні в нашому Всесвіті», — пояснює Маріус Спарн, один із співавторів природа папір.

Навіть цей експеримент із підтвердженням принципу містив інтригуючі сюрпризи. Фонони не тільки створювалися розширювальними рампами, але й характеристики їхніх колективних коливань залежали від типу виконаної рампи. Фонони містили інформацію, яка показувала, чи було розширення постійним, прискорювалося чи сповільнювалося. Ця цікава особливість, яка, за словами Спарна, була зрозуміла лише через взаємодію між теорією та експериментом, демонструє можливості проведення цих лабораторних досліджень.

Зокрема, дослідники сподіваються використовувати ці інструменти, щоб зазирнути в найдавніші моменти Всесвіту та дослідити гіпотезу про те, що великомасштабна структура Всесвіту має квантове походження. Співавтор Стефан Фльорхінгер запитує: «Чи стандартна теорія підручника завершена, чи є способи озирнутися на період до інфляції, досліджуючи квантові флуктуації, кореляції та заплутаність більш детально?»

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/