Частицы буквально выходят из вакуума в “миниатюрной искусственной вселенной”

Понимание происхождения Вселенной является целью многих исследователей, которые используют сверхмощные телескопы, такие как “Джеймс Уэбб”, чтобы исследовать дальние уголки Вселенной. Но решение может быть найдено в лаборатории. Недавно жидкость из ультрахолодных атомов продемонстрировала квантовую динамику, подобную той, которая, как считается, существовала через несколько мгновений после Большого взрыва, открыв новую эру лабораторных исследований ранней Вселенной.

Идея о том, что ранняя Вселенная претерпела фазу быстрой инфляции, была первоначально предложена как способ решения некоторых нерешенных загадок Большого взрыва. Но вскоре ученые поняли, что эта теория инфляции может объяснить и само происхождение космической структуры Вселенной. Как и все события в первозданной Вселенной, инфляционная фаза долгое время была недоступна для прямых экспериментов, но это не обязательно препятствует изучению соответствующей физики.

Недавно группа физиков под руководством Селии Виерманн из Гейдельбергского университета (Германия) создала крошечную расширяющуюся “вселенную” с помощью “симулятора квантового поля” из ультрахолодных атомов калия. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Моделирование мира после Большого взрыва с помощью квантовых жидкостей

Динамика квантовых полей в искривленной Вселенной порождает различные интригующие явления. Среди них – производство частиц в расширяющейся Вселенной. Ведущий автор Селия Виерманн объясняет: “Этот процесс, вероятно, отвечает за зарождение крупномасштабной структуры Вселенной, которая, в свою очередь, вызывает колебания температуры в космическом микроволновом фоне и развивается в распределение галактик и скоплений галактик, которые мы наблюдаем сегодня“.

В данном исследовании ученые смоделировали этот процесс в ультрахолодном квантовом газе. В частности, они охладили более 20 000 атомов калия в вакууме, используя лазеры, чтобы замедлить их движение и снизить их температуру примерно до 60 нанокельвинов, или 60 миллиардных долей кельвина выше абсолютного нуля. При этой температуре атомы образуют облако шириной с человеческий волос и, вместо того чтобы замерзнуть, образуют квантовую фазу жидкой материи, называемую конденсатом Бозе-Эйнштейна (КЭБ).

Помните, что жидкости, как мы знаем их в повседневной жизни, не текут без сопротивления. Для перемещения воды необходимы большие насосы и турбины, а мед течет из ложки медленно. Это вызвано внутренним трением жидкости, благодаря которому энергия движения в конечном итоге преобразуется в тепло. В квантовой жидкости все может быть радикально иначе – это тесно связано с явлением конденсации Бозе-Эйнштейна.

Конденсат Бозе-Эйнштейна – это особое квантовое состояние атомного газа, которое достигается при очень низких температурах. Облако отдельных атомов в этом состоянии ведет себя коллективно, как единая жидкость. Эта квантовая жидкость способна течь без сопротивления – она сверхтекучая. По словам профессора Оберталера, за последние несколько десятилетий атомные конденсаты Бозе-Эйнштейна были созданы из самых разных типов атомов, таких как натрий и рубидий, а в последнее время и из более “экзотических” атомов, таких как эрбий и диспрозий.

В данном эксперименте атомами в этой фазе можно управлять, светя на них светом – используя крошечный прожектор, исследователи точно определили плотность атомов, их расположение в пространстве и силы, которые они оказывают друг на друга.

Изменив эти свойства, команда заставила атомы следовать уравнению, называемому метрикой пространства-времени, которая в реальной, крупномасштабной Вселенной определяет, насколько она искривлена, как быстро распространяется свет и насколько она “искривлена” вблизи массивных объектов. В журнале New Scientist Оберталер говорит, что это первый эксперимент, в котором холодные атомы используются для моделирования искривленной и расширяющейся Вселенной.

Понимание расширения Вселенной

В статье в журнале Vice авторы более подробно объясняют, что, пропуская звуковые волны через конденсат – аналог света во Вселенной – они смогли изучить физику, которая была бы похожа на физику ранней Вселенной. Звуковые волны в эксперименте действовали подобно световым волнам в реальной вселенной, поскольку на их путь через конденсат влияли различные конфигурации, похожие на искривленное пространство-время.

Затем исследователи обнаружили, что атомы движутся именно в таком пульсирующем режиме, который можно было бы ожидать при появлении пар частиц – явление, известное как “производство пар частиц”.

Соавтор Либстер говорит: “Возможно, в прошлом наша Вселенная имела различные виды пространственной кривизны, и это то, что мы можем регулировать в нашей системе. У нас есть контроль над этими параметрами“. Он добавляет: “То, как звуковая волна движется через систему, является очень эффективным способом проверки кратчайшего пути между двумя точками, потому что звуковая волна всегда идет по кратчайшему пути. Звуковые волны подобны световым волнам в реальной космологии. Они обладают одинаковыми свойствами, поэтому мы используем их для зондирования нашего пространства-времени“.

Таким образом, с помощью этих симуляций команда смогла изучить динамику, стоящую за ними, что Либстер назвал “мечтой в космологии”. В целом, эксперимент совпал с теоретическими предсказаниями для различных искривлений во времени и пространстве, что подтверждает правильность такого подхода к моделированию, хотя и не подтверждает и не опровергает какую-либо конкретную модель ранней Вселенной на данный момент.

В статье New Scientist Алессио Чели из Автономного университета Барселоны в Испании говорит, что новый эксперимент – это очень точная площадка для объединения квантовых эффектов и гравитации. Физики не уверены, как эти два элемента сочетаются в нашей Вселенной, но эксперименты с ультрахолодными атомами могут позволить им проверить некоторые гипотезы. Эти результаты могут вдохновить на новые цели для наблюдений в космосе.