Một vũ trụ đang giãn nở được mô phỏng trong một giọt lượng tử

Thật không may cho lĩnh vực vũ trụ học, chỉ có một vũ trụ. Điều này làm cho việc thực hiện các thí nghiệm giống như các lĩnh vực khoa học khác trở thành một thách thức khá lớn. Nhưng hóa ra vũ trụ và các trường lượng tử thấm vào nó rất giống với chất lỏng lượng tử như chất ngưng tụ Bose-Einstein (BEC), ít nhất là từ quan điểm toán học. Những chất lỏng này có thể là đối tượng của các thí nghiệm, cho phép nghiên cứu vũ trụ học trong phòng thí nghiệm.

Trong một giấy xuất bản năm Thiên nhiên, các nhà nghiên cứu tại Đại học Heidelberg ở Đức lần đầu tiên sử dụng BEC để mô phỏng một vũ trụ đang giãn nở và các trường lượng tử nhất định bên trong nó. Điều này cho phép nghiên cứu các kịch bản vũ trụ quan trọng. Vũ trụ hiện không chỉ đang giãn nở, mà người ta còn tin rằng trong những phần nhỏ đầu tiên của giây sau Vụ nổ lớn, nó đã trải qua một giai đoạn giãn nở cực kỳ nhanh chóng được gọi là “lạm phát”. Quá trình này sẽ mở rộng các dao động vi mô của các trường lượng tử trong vũ trụ sơ khai đến kích thước của các cụm thiên hà, gieo mầm cho cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ chúng ta ngày nay.

Để nghiên cứu mô hình vũ trụ này, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu với một giọt BEC phẳng bao gồm các nguyên tử kali-39 trong một bẫy quang học. Đây là phần “vũ trụ” của trình mô phỏng và nó có độ cong không gian liên quan đến mật độ trung bình của BEC. Phần trường lượng tử được phát bởi các phonon, các gói năng lượng âm thanh được lượng tử hóa di chuyển trong chất lỏng. Chúng đóng vai trò tương tự như photon và các trường lượng tử khác dao động trong vũ trụ thực tế.

rung động lượng tử

Các phonon được tạo ra bằng cách chiếu một tia laser vào BEC. Khi tắt tia laser, một rung động phonon lan truyền qua giọt nước. Các hạt lượng tử đi theo quỹ đạo được xác định bởi độ cong của không thời gian mà chúng chuyển động. Do đó, bằng cách nghiên cứu quỹ đạo của các phonon này, các nhà nghiên cứu có thể xác nhận rằng vũ trụ mô phỏng có độ cong không gian mà họ đang hướng tới.

Cuối cùng, sự giãn nở của không gian đã được thiết lập một cách khéo léo bằng cách điều chỉnh cường độ tương tác giữa các nguyên tử trong BEC với từ trường. Giảm cường độ tương tác cũng làm giảm tốc độ âm thanh, điều này đạt được hiệu ứng tương tự như sự mở rộng không gian tương ứng. Ý tưởng là trong một không gian mở rộng, tín hiệu sẽ mất nhiều thời gian hơn để đi qua chiều dài của nó. Vì vậy, thay vì mở rộng giọt về mặt vật lý, người ta có thể tạo ra hiệu ứng tương tự bằng cách làm chậm tín hiệu.

Trường lượng tử và không thời gian động tương tác theo những cách phức tạp. Một đặc điểm đặc biệt gây tò mò là một không gian giãn nở có thể tạo ra các hạt – một hiệu ứng tương tự như việc tạo ra bức xạ Hawking bởi các lỗ đen. Bằng cách điều chỉnh độ dài tán xạ của BEC, các nhà khoa học đã thử nghiệm “tăng tốc” kích thước vũ trụ nhỏ của họ theo những cách khác nhau, tương ứng với sự giãn nở đồng đều, tăng tốc và giảm tốc.

Cấu trúc gieo hạt quy mô lớn

Những gì họ quan sát được trên thực tế tương ứng với việc tạo ra các phonon, như mong đợi. Khi các phonon này giao thoa với nhau, chúng tạo ra các kiểu dao động mật độ ngẫu nhiên trong BEC. Do đó, họ đã quan sát thấy hiện tượng tương tự được dự đoán là nguyên nhân gây ra sự gieo mầm của cấu trúc quy mô lớn trong vũ trụ sơ khai.

Mặc dù vũ trụ mô phỏng khác rất nhiều so với vũ trụ của chúng ta – ví dụ, nó chỉ có hai chiều không gian và độ cong tổng thể khác – những công cụ đơn giản này có thể giúp các nhà khoa học giải quyết các vấn đề khó khăn trong tương lai.

Các nguyên tử siêu lạnh di chuyển gần hơn để mô phỏng vũ trụ sơ khai

“Các mô hình vũ trụ đã được đơn giản hóa, giống như mô hình mà chúng tôi đã xem xét, có thể chứa một số hiện tượng chưa được hiểu rõ có trong vũ trụ của chúng ta,” giải thích Marius Span, một trong những đồng tác giả của Thiên nhiên giấy.

Ngay cả thí nghiệm chứng minh nguyên tắc này cũng chứa đựng những bất ngờ thú vị. Không chỉ các phonon được tạo ra bởi các đường dốc mở rộng, mà các đặc tính của các dao động tập thể của chúng còn phụ thuộc vào loại đường dốc được thực hiện. Các phonon chứa thông tin tiết lộ liệu sự giãn nở là không đổi, tăng tốc hay giảm tốc. Tính năng thú vị này, mà Sparn nói chỉ được hiểu thông qua sự tương tác giữa lý thuyết và thực nghiệm, cho thấy khả năng theo đuổi các nghiên cứu dựa trên phòng thí nghiệm này.

Đặc biệt, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ sử dụng những công cụ này để xem lại những khoảnh khắc sớm nhất của vũ trụ và thăm dò giả thuyết rằng cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ có nguồn gốc lượng tử. đồng tác giả Stefan Floerchinger đặt câu hỏi “Liệu lý thuyết tiêu chuẩn trong sách giáo khoa đã hoàn chỉnh chưa, hay có cách nào để nhìn lại thời kỳ trước lạm phát bằng cách điều tra các dao động lượng tử, tương quan và vướng víu chi tiết hơn không?”

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/