Universul în laborator: testarea cosmologiei alternative folosind un nor de atomi

În subsolul Institutului de Fizică Kirchhoff din Germania, cercetătorii au simulat universul așa cum ar fi putut exista la scurt timp după Big Bang. Ei au creat o simulare de câmp cuantic de masă care implică utilizarea magneților și laserelor pentru a controla o probă de atomi de potasiu 39 care sunt ținute aproape de zero absolut. Apoi folosesc ecuații pentru a traduce rezultatele la această scară mică pentru a explora posibilele caracteristici ale universului timpuriu.

Lucrările efectuate până acum arată că este posibil să se simuleze un univers cu o curbură diferită. Într-un univers curbat pozitiv, dacă călătorești în orice direcție într-o linie dreaptă, te vei întoarce de unde ai început. Într-un univers curbat negativ, spațiul este curbat în formă de șa. Universul este în prezent plat sau aproape plat, potrivit lui Marius Sparn, doctorand la Institutul de Fizică Kirchhoff. Dar, la începutul existenței sale, s-ar putea să fi fost mai curbat pozitiv sau negativ.

În jurul curbei

„Dacă ai avea o sferă cu adevărat uriașă, cum ar fi Pământul sau așa ceva, și dacă ai vedea doar o mică parte din ea, nu ai ști – este închisă sau este infinit deschisă?” a spus Sabine Hosenfelder, membru al Centrului de Filosofie Matematică din München. „A devenit o întrebare cu adevărat filozofică. Singurele lucruri pe care le știm provin din partea din univers pe care o observăm. De obicei, modul în care oamenii o exprimă este că, din câte știm, curbura în această parte a universului este consecventă. cu zero”.

Sparn a fost unul dintre autorii lucrării, „Simularea câmpului cuantic a dinamicii în spațiu-timp curbat”, care a fost publicat în revista Nature în noiembrie 2022. Echipa a colaborat cu oameni de știință din Belgia, Spania și Germania. Echipa a studiat trei scenarii posibile pentru expansiunea timpurie a universului: constantă, accelerată și decelerată.

Experimentul de pe masă a implicat plasarea potasiului-39 într-o celulă de sticlă între o serie de bobine magnetice mari deasupra și dedesubtul acesteia, a spus Sparn. Aceste bobine magnetice, împreună cu unele dispozitive laser, au fost folosite pentru a controla comportamentul probei. Atomii au fost prinși într-un strat subțire care ar putea fi considerat bidimensional, conform lui A Comunicat de presă De la Universitatea Heidelberg.

Când este răcit la o temperatură de 40 până la 60 de nanokelvin, potasiul-39 intră într-o stare mecanică cuantică cunoscută sub numele de condensat Bose-Einstein, a spus Sparn. Condensații Bose-Einstein acționează ca o singură particule masivă, conform lui Ramon Zmuk, director de producție la Quantum Machines.

„Condensul nostru Bose-Einstein este un obiect complet guvernat de mecanica cuantică, deoarece lucrăm la temperaturi foarte scăzute”, a spus Sparn. „Echipa caută atunci mici tulburări [the] Condensatoare. Așa că vă puteți gândi la el ca pe niște mici ondulații ale fluctuațiilor de densitate. Acestea sunt guvernate de mecanica cuantică.

„Evident că o rundă a experimentului nostru se termină cu o fotografie”, a spus Sparn. „Așa că strălucim lumină care rezonează cu tranziția atomică a potasiului-39 și luăm imagini de absorbție ale norului. În acest proces, de obicei ne distrugem condensurile. Vedem mai puțină lumină în locurile în care se află atomii. Putem extrage densitatea Deci, rezultatul final Avem întotdeauna o imagine a distribuției densității atomilor noștri și de acolo putem efectua analize statistice pentru a obține mai multe informații despre rezultate.

Universuri alternative

Oamenii de știință au legat ecuațiile universului și ecuațiile condensate Bose-Einstein pentru a trage concluzii despre modul în care s-a comportat universul timpuriu.

Echipa a simulat curbura pozitivă prin creșterea densității potasiului-39 care se îndreaptă spre exterior din centrul configurației experimentale, a spus Sparn. Au simulat curbura negativă prin reducerea acesteia.

„Am arătat că este posibil să simulăm spațiu-timp curbat și care se extinde spațial în condensatele Bose-Einstein”, a spus Sparn. „Aceasta este ceea ce aveți nevoie pentru un univers omogen și izotrop, care ar trebui să fie o presupunere corectă la scară largă.”

În ultimii câțiva ani, oamenii de știință au folosit sisteme atomice cuantice pentru a găsi paralele cu sisteme complexe din univers, a spus Zmock. Aceasta leagă fizica atomică și astrofizica.

Natura, 2023. DOI: 10.1038/s41586-022-05313-9

Kat Friedrich Este un fost inginer mecanic care a început să se specializeze în matematică aplicată, inginerie și fizică la Universitatea din Wisconsin-Madison. Ea a obținut o diplomă de licență cu accent în jurnalism științific și de mediu și a editat șapte publicații de știri, dintre care două a fost co-fondatoare. Este redactor-șef al revistei de energie Solar Today.