Deeltjes verschijnen letterlijk uit het niets in een ‘kunstmatige miniwereld’ in het lab

Het begrijpen van de oorsprong van het heelal is het onderzoek van veel onderzoekers, die vertrouwen op ultrakrachtige telescopen zoals: James Webb Om de grenzen van het universum te verkennen. Maar de oplossing kan in het lab liggen. Onlangs vertoonde een vloeistof van ultrakoude atomen een kwantumdynamiek die vergelijkbaar was met die waarvan men dacht dat ze vlak na de oerknal bestonden, wat een nieuw tijdperk van laboratoriumonderzoek van het vroege universum inluidde.

idee datprimitief universum Het onderging een fase van snelle inflatie die oorspronkelijk was voorgesteld om enkele van de onopgeloste puzzels op te lossen de grote explosie. Maar wetenschappers realiseerden zich al snel dat deze inflatietheorie ook de oorsprong van de kosmische structuur van het universum zou kunnen verklaren. Zoals alle gebeurtenissen in het vroege heelal was het niet mogelijk om de inflatoire fase van directe ervaring te bereiken, maar dit sluit niet noodzakelijkerwijs het onderzoek van de betrokken fysica uit.

Onlangs creëerde een team van natuurkundigen onder leiding van Celia Fermann van de Universiteit van Heidelberg (Duitsland) een zich uitbreidend mini-“universum” met een “kwantumveldsimulator” gemaakt van ultrakoude kaliumatomen. De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift de natuur temperen.

Een explosie na de oerknal simuleren met kwantumvloeistoffen

Je moet weten dat de dynamiek kwantumvelden Het gekromde universum leidt tot de opkomst van veel interessante verschijnselen. Een daarvan is de productie van deeltjes in het uitdijende heelal. Hoofdauteur Celia Ferman legt uit: Dit proces is waarschijnlijk verantwoordelijk voor de verstrooiing van de grootschalige structuur van het universum, die op zijn beurt temperatuurschommelingen veroorzaakt in de kosmische microgolfachtergrond en groeit in de distributie van sterrenstelsels en heel veel sterrenstelsels Wat we vandaag zien “.

In deze studie simuleerden de onderzoekers dit proces in ultrakoud kwantumgas. Concreet koelden ze meer dan 20.000 atomen kalium in een vacuüm, met behulp van een laser om het te vertragen en de temperatuur te verlagen tot ongeveer 60 nanokelvin, of 60 miljardste van een kelvin boven het absolute nulpunt. Bij deze temperatuur vormen de atomen een wolk ter breedte van een mensenhaar en in plaats van te bevriezen, vormen ze een kwantumfase van een vloeibare substantie genaamd Bose-Einstein condensor (BEC).

Onthoud dat vloeistoffen zoals we die in het dagelijks leven kennen niet zonder weerstand stromen. Er zijn grote pompen en turbines nodig om het water te verplaatsen en de honing druppelt langzaam van de lepel. Dit wordt veroorzaakt door de interne wrijving van de vloeistof, waardoor de aandrijfenergie uiteindelijk wordt omgezet in warmte. Dit kan fundamenteel anders zijn in een kwantumvloeistof – nauw verwant aan het fenomeen Bose-Einstein-condensatie.

Een Bose-Einstein-condensaat is een speciale kwantumtoestand van een atomair gas dat wordt bereikt bij extreem lage temperaturen. Een wolk van individuele atomen gedraagt ​​zich in dit geval collectief als een enkele vloeistof. Deze kwantumvloeistof kan zonder weerstand stromen – het is een superfluïde. Volgens professor Oberthaler zijn de atomaire condensaten van Bose-Einstein de afgelopen decennia gemaakt van zeer verschillende soorten atomen zoals natrium en rubidium, maar recentelijk ook van ‘exotische’ atomen zoals erbium en dysprosium.

In dit experiment kunnen atomen die op dit punt zijn geplaatst worden bestuurd door ze te verlichten – met behulp van een kleine projector bepaalden de onderzoekers nauwkeurig de dichtheid van de atomen, hun rangschikking in de ruimte en de krachten die ze op elkaar uitoefenen.

Door deze eigenschappen aan te passen, liet het team de atomen een vergelijking volgen die de ruimtetijdschaal wordt genoemd en die in het echte, grootschalige universum bepaalt hoeveel het buigt, hoe snel licht reist en hoe het “buigt” in de buurt van massieve objecten. voor nieuwe wereldOberthaler zegt dat het het eerste experiment was waarbij koude atomen werden gebruikt om een ​​gekromd en uitdijend heelal te simuleren.

De uitdijing van het heelal begrijpen

In een artikel van zondePreciezer gezegd, de auteurs legden uit dat door geluidsgolven door een condensor te laten gaan – een analoog van licht in het universum – ze in staat waren om fysica te onderzoeken die vergelijkbaar zou zijn met die in het vroege universum. De geluidsgolven van het experiment waren als lichtgolven in het echte universum, waarvan het pad door het condensaat werd beïnvloed door verschillende configuraties, die leken op gekromde ruimtetijd.

De onderzoekers ontdekten toen dat de atomen precies in het rimpelpatroon bewegen dat je zou verwachten als er paren deeltjes zouden verschijnen – een fenomeen dat ‘deeltjespaarproductie’ wordt genoemd.

Lipster, co-auteur zegt: Het kan zijn dat ons universum in het verleden verschillende soorten ruimtelijke kromming had, en dat is wat we in ons systeem kunnen aanpassen. We hebben controle over dit soort parameters “. Toevoegen : ” De manier waarop de geluidsgolf door het systeem reist, is een zeer efficiënte manier om de kortste weg tussen twee punten te controleren, omdat de geluidsgolf altijd de kortste weg neemt. Geluidsgolven zijn als lichtgolven in de echte kosmologie. Ze hebben dezelfde eigenschappen, daarom gebruiken we ze om ruimtetijd te verkennen “.

Door deze simulaties kon het team de dynamiek onderzoeken achter wat Lipster ‘een droom in de kosmologie’ noemde. Over het algemeen komt het experiment overeen met theoretische voorspellingen van verschillende krommingen in ruimte en tijd, waardoor deze simulatiebenadering wordt gevalideerd, hoewel het op dat moment geen specifiek model van het vroege universum, de werkelijke klok, bevestigde of weerlegde.

in een artikel nieuwe wereldHet nieuwe experiment is een prima speelplaats voor het koppelen van kwantumeffecten en zwaartekracht, zegt Alessio Celi van de Autonome Universiteit van Barcelona in Spanje. Natuurkundigen weten niet precies hoe de twee in ons universum zijn samengesmolten, maar experimenten met extreem koude atomen kunnen hen in staat stellen enkele hypothesen te testen. Deze bevindingen zouden nieuwe doelen kunnen inspireren voor observatie in het universum.

bron : de natuur temperen