Исследователи из Гейдельбергского университета в Германии создали систему для изучения квантовых полей, существовавших на ранних этапах развития Вселенной. С помощью конденсата Бозе — Эйнштейна из ультрахолодных атомов они воссоздали свойства искривленного пространства-времени. Это поможет смоделировать эволюцию поля расширяющейся Вселенной.
Действующая космологическая модель предполагает, что сразу после Большого взрыва пространство стремительно расширялось. В это время Вселенная была пуста, за исключением квантовых полей, присутствующих в вакууме. Изучение развития этих полей в искривленном пространстве-времени должно ответить на вопрос, откуда появились элементарные частицы. Но до сих пор создать жизнеспособную экспериментальную модель не удавалось.
В 1980 году Уильям Унру из университета Британской Колумбии доказал, что звуковые волны, распространяющиеся в движущейся жидкости, аналогичны световым волнам, распространяющимся в искривленном пространстве-времени.
Расширение пространства с течением времени (слева) эквивалентно сохранению статических координат при изменении скорости звука (справа). Изображение: C. Viermann et al., Nature; adapted by M. Schirber
Исследователи разработали аналог искривленного пространства-времени в неподвижном конденсата Бозе — Эйнштейна. Ученые отметили, что, если контролировать скорость звука, можно увеличить эффективное расстояние в пространстве. Например, уменьшая скорость звука, они могут увеличить эффективное расстояние между двумя точками, поскольку звуку потребуется больше времени, чтобы добраться от одной точки до другой. Такой контроль воссоздает эффекты изгиба пространства-времени.
Физики реализовали свою систему, удерживая ультрахолодные ионы калия-39 в оптической ловушке. Она модифицировала распределение плотности конденсата Бозе — Эйнштейна, позволяя контролировать скорость звука в пространстве. Для воссоздания временных эффектов ученые применяли к газу однородное магнитное поле. Ослабляя взаимодействия между атомами калия с течением времени, они имитировали расширение Вселенной.
Уменьшение силы взаимодействия между атомами в конденсате Бозе — Эйнштейна приводит к возникновению флуктуаций плотности (справа) по сравнению с ситуацией отсутствия изменений (слева в квадрате). Усиленные флуктуации плотности, появляющиеся в случайных местах в разных экспериментах (крайний справа), имитируют образование частиц в быстро расширяющейся Вселенной. Изображение: C. Viermann et al., Nature
Исследователи полагают, что экспериментальная модель поможет раскрыть историю первых этапов развития Вселенной. Кроме того, с ее помощью можно моделировать акустические черные дыры и визуализировать эволюцию квантовых полей.
Читать далее:
Главную теорию происхождения человека опровергли: откуда мы появились
Опубликованы результаты первого тестирования препарата против рака
На Земле теперь живет 8 млрд человек: грозит ли планете перенаселение