Desafortunadamente para el campo de la cosmología, solo hay un universo. Esto hace que realizar experimentos de la misma manera que en otros campos científicos sea todo un desafío. Pero resulta que el universo y los campos cuánticos que lo impregnan son muy similares a los fluidos cuánticos como los condensados de Bose-Einstein (BEC), al menos desde un punto de vista matemático. Estos fluidos pueden ser objeto de experimentos, lo que permite estudiar la cosmología en el laboratorio.
En un publicado en Naturaleza, investigadores de la Universidad de Heidelberg en Alemania han utilizado por primera vez un BEC para simular un universo en expansión y ciertos campos cuánticos dentro de él. Esto permite el estudio de importantes escenarios cosmológicos. No solo el universo se está expandiendo actualmente, sino que se cree que en las primeras fracciones de segundo después del Big Bang experimentó un período de expansión extremadamente rápida conocido como "inflación". Este proceso habría expandido las fluctuaciones microscópicas de los campos cuánticos en el universo primitivo al tamaño de los cúmulos de galaxias, sembrando la estructura a gran escala de nuestro universo actual.
Para estudiar este modelo cosmológico, los investigadores comenzaron con una gota plana de BEC compuesta por átomos de potasio-39 en una trampa óptica. Esta era la parte del "universo" del simulador, y tenía una curvatura espacial que estaba relacionada con la densidad promedio del BEC. La parte del campo cuántico fue interpretada por fonones, paquetes cuantificados de energía de sonido que se mueven a través del fluido. Estos sirvieron como análogos a los fotones y otros campos cuánticos que fluctúan en el universo real.
vibraciones cuantificadas
Los fonones se crearon disparando un láser al BEC. Cuando se apagó el láser, una vibración de fonones se extendió a través de la gota. Las partículas cuánticas siguen trayectorias determinadas por la curvatura del espacio-tiempo en el que se mueven. Por lo tanto, al estudiar la trayectoria de estos fonones, los investigadores pudieron confirmar que el universo simulado tenía la curvatura espacial que buscaban.
Finalmente, la expansión del espacio fue hábilmente instituida ajustando la fuerza de las interacciones entre los átomos en el BEC con campos magnéticos. La disminución de la fuerza de interacción también disminuye la velocidad del sonido, lo que logra el mismo efecto que la correspondiente expansión del espacio. La idea es que en un espacio expandido, una señal tarda más en atravesar su longitud. Entonces, en lugar de expandir físicamente la gota, se puede producir el mismo efecto ralentizando la señal.
Los campos cuánticos y un espacio-tiempo dinámico interactúan de formas complejas. Una característica particularmente curiosa es que un espacio en expansión puede producir partículas, un efecto similar a la creación de la radiación de Hawking por los agujeros negros. Al ajustar la longitud de dispersión del BEC, los científicos experimentaron con "aumentar" el tamaño de su mini universo de diferentes maneras, correspondientes a expansiones uniformes, aceleradas y desaceleradas.
Siembra de estructura a gran escala
Lo que observaron de hecho correspondía a la producción de fonones, como se esperaba. A medida que estos fonones interferían entre sí, producían patrones de fluctuaciones de densidad aleatorias en el BEC. Por lo tanto, habían observado el mismo fenómeno que se predijo que sería responsable de la siembra de estructuras a gran escala en el universo primitivo.
Aunque el universo simulado difiere mucho del nuestro, por ejemplo, tiene solo dos dimensiones espaciales y una curvatura general diferente, estas herramientas simples pueden ayudar a los científicos a resolver problemas difíciles en el futuro.
Átomos ultrafríos se acercan a simular el universo primitivo
“Los modelos cosmológicos ya simplificados, como el que consideramos, pueden contener algunos de los fenómenos no bien comprendidos que están presentes en nuestro universo”, explica Marius Sparn, uno de los coautores del Naturaleza papel.
Incluso este experimento de prueba de principio contenía sorpresas intrigantes. Las rampas expansivas no solo produjeron fonones, sino que las características de sus oscilaciones colectivas dependieron del tipo de rampa realizada. Los fonones contenían información que revelaba si la expansión era constante, aceleraba o desaceleraba. Esta característica interesante, que Sparn dice que solo se entendió a través de la interacción entre la teoría y el experimento, demuestra las posibilidades de realizar estos estudios de laboratorio.
En particular, los investigadores esperan usar estas herramientas para observar los primeros momentos del universo y probar la hipótesis de que la estructura a gran escala del universo tiene un origen cuántico. Coautor Stefan Florchinger pregunta "¿Está completa la teoría estándar de los libros de texto o hay formas de mirar hacia atrás al período anterior a la inflación investigando las fluctuaciones cuánticas, las correlaciones y el entrelazamiento con más detalle?"
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/
