W eksperymencie laboratoryjnym naukowcom z Uniwersytetu w Heidelbergu udało się stworzyć efektywną czasoprzestrzeń, którą można manipulować. W swoich badaniach nad ultrazimnymi gazami kwantowymi byli w stanie symulować całą rodzinę zakrzywionych wszechświatów, aby zbadać różne scenariusze kosmologiczne i porównać je z przewidywaniami teoretycznego modelu pola kwantowego.
Według teorii względności Einsteina przestrzeń i czas są ze sobą nierozerwalnie związane. W naszym Wszechświecie, którego krzywizna jest ledwo mierzalna, struktura tej czasoprzestrzeni jest stała. W eksperymencie laboratoryjnym naukowcom z Uniwersytetu w Heidelbergu udało się stworzyć efektywną czasoprzestrzeń, którą można manipulować. W swoich badaniach nad ultrazimnymi gazami kwantowymi byli w stanie symulować całą rodzinę zakrzywionych wszechświatów, aby zbadać różne scenariusze kosmologiczne i porównać je z przewidywaniami teoretycznego modelu pola kwantowego. Wyniki badań zostały opublikowane w Nature.
Pojawienie się przestrzeni i czasu w kosmicznych skalach czasu od Wielkiego Wybuchu do teraźniejszości jest przedmiotem aktualnych badań, które mogą opierać się jedynie na obserwacji naszego jedynego Wszechświata. Ekspansja i zakrzywienie przestrzeni są niezbędne dla modeli kosmologicznych. W płaskiej przestrzeni, takiej jak nasz obecny Wszechświat, najkrótszą odległością między dwoma punktami jest zawsze linia prosta. „Można jednak sobie wyobrazić, że nasz Wszechświat był zakrzywiony we wczesnej fazie. Badanie konsekwencji zakrzywionej czasoprzestrzeni jest zatem palącym zagadnieniem badawczym” – stwierdza prof. dr Markus Oberthaler, badacz z Kirchhoff Institute for Physics w Heidelbergu Uniwersytet. Wraz ze swoją grupą badawczą „Synthetic Quantum Systems” opracował w tym celu symulator pola kwantowego.
Stworzony w laboratorium symulator pola kwantowego składa się z chmury atomów potasu schłodzonej do zaledwie kilku nanokelwinów powyżej zera bezwzględnego. Powoduje to powstanie kondensatu Bosego-Einsteina – specjalnego kwantowo-mechanicznego stanu gazu atomowego, który osiąga się w bardzo niskich temperaturach. Prof. Oberthaler wyjaśnia, że kondensat Bosego-Einsteina jest doskonałym tłem, na którym widoczne są najmniejsze wzbudzenia, czyli zmiany stanu energetycznego atomów. Forma obłoku atomowego określa wymiarowość i właściwości czasoprzestrzeni, w której te wzbudzenia poruszają się jak fale. W naszym Wszechświecie istnieją trzy wymiary przestrzeni oraz czwarty wymiar: czas.
W eksperymencie przeprowadzonym przez fizyków z Heidelbergu atomy są uwięzione w cienkiej warstwie. Dlatego wzbudzenia mogą rozchodzić się tylko w dwóch kierunkach przestrzennych – przestrzeń jest dwuwymiarowa. Jednocześnie obłok atomowy w pozostałych dwóch wymiarach można kształtować niemal w dowolny sposób, przy czym możliwe jest również realizowanie zakrzywionych czasoprzestrzeni. Oddziaływanie między atomami można precyzyjnie regulować za pomocą pola magnetycznego, zmieniając prędkość propagacji falowych wzbudzeń w kondensacie Bosego-Einsteina.
„W przypadku fal na kondensacie prędkość propagacji zależy od gęstości i interakcji atomów. Daje to nam możliwość stworzenia warunków podobnych do tych w rozszerzającym się wszechświecie” – wyjaśnia prof. dr Stefan Flörchinger. Badacz, który wcześniej pracował na Uniwersytecie w Heidelbergu, a na początku tego roku dołączył do Uniwersytetu w Jenie, opracował teoretyczny model pola kwantowego, który posłużył do ilościowego porównania wyników eksperymentów.
Za pomocą kwantowego symulatora pola można mierzyć zjawiska kosmiczne, takie jak wytwarzanie cząstek w oparciu o rozszerzanie się przestrzeni, a nawet zakrzywienie czasoprzestrzeni. „Problemy kosmologiczne zwykle mają niewyobrażalną skalę. Możliwość szczegółowego zbadania ich w laboratorium otwiera zupełnie nowe możliwości w badaniach, umożliwiając nam eksperymentalne testowanie nowych modeli teoretycznych” — mówi Celia Viermann, główna autorka „Nature” “artykuł. „Badanie wzajemnego oddziaływania zakrzywionej czasoprzestrzeni i stanów mechaniki kwantowej w laboratorium zajmie nas jeszcze przez jakiś czas”, mówi Markus Oberthaler, którego grupa badawcza jest również częścią klastra doskonałości STRUCTURES w Ruperto Carola.
Prace były prowadzone w ramach Collaborative Research Center 1225, “Isolated Quantum Systems and Universality in Extreme Conditions” (ISOQUANT), Uniwersytetu w Heidelbergu.
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Uniwersytet w Heidelbergu. Uwaga: treść może być edytowana pod kątem stylu i długości.