Das Universum im Labor: Alternative Kosmologie mithilfe einer Atomwolke testen

Im Keller des Kirchhoff-Instituts für Physik in Deutschland haben Forscher das Universum simuliert, wie es kurz nach dem Urknall existiert haben könnte. Sie erstellten eine Quantenfeldsimulation auf dem Tisch, bei der mithilfe von Magneten und Lasern eine Probe von Kaliumatomen 39 gesteuert wird, die nahe dem absoluten Nullpunkt gehalten werden. Anschließend übersetzen sie die Ergebnisse mithilfe von Gleichungen in diesen kleinen Maßstab, um mögliche Merkmale des frühen Universums zu untersuchen.

Die bisherigen Arbeiten zeigen, dass es möglich ist, ein Universum mit einer anderen Krümmung zu simulieren. Wenn Sie in einem positiv gekrümmten Universum geradlinig in eine beliebige Richtung reisen, kehren Sie zu Ihrem Ausgangspunkt zurück. In einem negativ gekrümmten Universum ist der Raum sattelförmig gekrümmt. Laut Marius Sparn, Doktorand am Kirchhoff-Institut für Physik, ist das Universum derzeit flach oder fast flach. Aber zu Beginn seiner Existenz war es möglicherweise eher positiv oder negativ gekrümmt.

Um die Kurve

„Wenn Sie eine wirklich riesige Kugel hätten, wie die Erde oder so, und wenn Sie nur einen kleinen Teil davon sehen würden, wüssten Sie nicht – ist sie geschlossen oder ist sie unendlich offen?“ sagte Sabine Hosenfelder, Mitglied des Münchner Zentrums für Mathematische Philosophie. „Es ist zu einer wirklich philosophischen Frage geworden. Die einzigen Dinge, die wir wissen, stammen aus dem Teil des Universums, den wir beobachten. Normalerweise drücken die Leute es so aus, dass die Krümmung in diesem Teil des Universums unseres Wissens nach konsistent ist.“ mit Null.“

Sparn war einer der Autoren des Papiers: „Quantenfeldsimulation der Dynamik in gekrümmter Raumzeit“, das im November 2022 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde. Das Team arbeitete mit Wissenschaftlern aus Belgien, Spanien und Deutschland zusammen. Das Team untersuchte drei mögliche Szenarien für die frühe Expansion des Universums: stetig, beschleunigt und verlangsamt.

Bei dem Tischexperiment wurde Kalium-39 in einer Glaszelle zwischen einer Reihe großer Magnetspulen darüber und darunter platziert, sagte Sparn. Diese Magnetspulen wurden zusammen mit einigen Lasergeräten verwendet, um das Verhalten der Probe zu steuern. Laut A waren die Atome in einer dünnen Schicht eingeschlossen, die als zweidimensional betrachtet werden konnte Pressemitteilung Von der Universität Heidelberg.

Beim Abkühlen auf eine Temperatur von 40 bis 60 Nanokelvin geht Kalium-39 in einen quantenmechanischen Zustand über, der als Bose-Einstein-Kondensat bekannt ist, sagte Sparn. Laut Ramon Zmuk, Produktionsleiter bei Quantum Machines, wirken Bose-Einstein-Kondensate wie ein einzelnes massives Teilchen.

„Unser Bose-Einstein-Kondensat ist ein Objekt, das vollständig von der Quantenmechanik gesteuert wird, da wir bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten“, sagte Sparn. „Das Team sucht dann nach kleinen Störungen [the] Kondensatoren. Man kann es sich also als kleine Wellen von Dichteschwankungen vorstellen. Diese unterliegen der Quantenmechanik.

„Offensichtlich endet eine Runde unseres Experiments mit einem Foto“, sagte Sparn. „Also strahlen wir Licht aus, das mit dem atomaren Übergang von Kalium-39 in Resonanz steht, und machen Absorptionsbilder der Wolke. Dabei zerstören wir normalerweise unsere Kondensate. Wir sehen weniger Licht an den Orten, an denen sich die Atome befinden. Wir können die Dichte extrahieren.“ der Atome daraus. Das Endergebnis Wir haben immer ein Bild der Dichteverteilung unserer Atome und können von dort aus statistische Analysen durchführen, um mehr Informationen über die Ergebnisse zu erhalten.

Alternative Universen

Wissenschaftler haben die Gleichungen des Universums und die Bose-Einstein-Kondensatgleichungen verknüpft, um Rückschlüsse auf das Verhalten des frühen Universums zu ziehen.

Das Team simulierte eine positive Krümmung, indem es die Dichte von Kalium-39 erhöhte, das von der Mitte des Versuchsaufbaus nach außen wanderte, sagte Sparn. Sie simulierten eine negative Krümmung, indem sie sie reduzierten.

„Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, in Bose-Einstein-Kondensaten eine gekrümmte und sich räumlich ausdehnende Raumzeit zu simulieren“, sagte Sparn. „Das ist es, was man für ein homogenes und isotropes Universum braucht, was im großen Maßstab eine faire Annahme sein sollte.“

In den letzten Jahren hätten Wissenschaftler Quantenatomsysteme genutzt, um Parallelen zu komplexen Systemen im Universum zu finden, sagte Zmock. Dies verbindet Atomphysik und Astrophysik.

Natur, 2023. DOI: 10.1038/s41586-022-05313-9

Kat Friedrich Er ist ein ehemaliger Maschinenbauingenieur, der sein Studium der angewandten Mathematik, Ingenieurwissenschaften und Physik an der University of Wisconsin-Madison begann. Sie erwarb einen Hochschulabschluss mit Schwerpunkt Wissenschafts- und Umweltjournalismus und hat sieben Nachrichtenpublikationen herausgegeben, von denen sie zwei mitbegründete. Sie ist Chefredakteurin des Energiemagazins Solar Today.