Atomer kan nynne en melodi fra den store kosmiske symfoni

Forskere, der leger med en sky af ultrakølede atomer, afdækkede adfærd, der ligner en slående lighed med universet i mikrokosmos. Deres arbejde, som skaber nye forbindelser mellem atomfysik og den pludselige udvidelse af det tidlige univers, blev udgivet 19. april i Fysisk gennemgang X og fremhæves i Fysik .

"Fra atomfysisk perspektiv, eksperimentet er smukt beskrevet af eksisterende teori, "siger Stephen Eckel, en atomfysiker ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og hovedforfatteren af ​​det nye papir. "Men endnu mere slående er, hvordan den teori forbinder med kosmologi."

I flere sæt eksperimenter, Eckel og hans kolleger udvidede hurtigt størrelsen af ​​en doughnutformet sky af atomer, tage snapshots under processen. Væksten sker så hurtigt, at skyen bliver nynne, og en beslægtet brummen kan have vist sig på kosmiske skalaer under den hurtige ekspansion af det tidlige univers - en epoke, som kosmologer omtaler som inflationstiden.

Arbejdet samlede eksperter inden for atomfysik og tyngdekraft, og forfatterne siger, at det er et vidnesbyrd om alsidigheden af ​​Bose-Einstein-kondensatet (BEC)-en ultrakold sky af atomer, der kan beskrives som et enkelt kvanteobjekt-som en platform til test af ideer fra andre fysikområder.

"Måske vil dette en dag informere fremtidige modeller for kosmologi, "Siger Eckel." Eller omvendt. Måske vil der være en model af kosmologi, der er svær at løse, men som du kan simulere ved hjælp af en kold atomgas. "

Det er ikke første gang, at forskere har forbundet BEC'er og kosmologi. Tidligere undersøgelser efterlignede sorte huller og ledte efter analoger af strålingen, der forudsiges at strømme ud fra deres skyggefulde grænser. De nye eksperimenter fokuserer i stedet på BEC's reaktion på en hurtig ekspansion, en proces, der antyder flere analogier til, hvad der kan være sket i løbet af inflationstiden.

Den første og mest direkte analogi involverer den måde, hvorpå bølger bevæger sig gennem et ekspanderende medium. En sådan situation opstår ikke ofte inden for fysik, men det skete under inflationen i stor stil. Under den udvidelse, rummet selv strakte alle bølger til meget større størrelser og stjal energi fra dem gennem en proces kendt som Hubble -friktion.

I et sæt eksperimenter, forskere opdagede analoge træk i deres atomsky. De aftrykte en lydbølge på deres sky - skiftevis regioner med flere atomer og færre atomer omkring ringen, som en bølge i det tidlige univers - og så det spredes under ekspansion. Ikke overraskende, lydbølgen strakte sig ud, men dens amplitude faldt også. Matematikken afslørede, at denne dæmpning lignede Hubble -friktion, og adfærden blev godt fanget ved beregninger og numeriske simuleringer.

"Det er som om vi slår BEC med en hammer, "siger Gretchen Campbell, NIST-meddirektør for Joint Quantum Institute (JQI) og en medforfatter af papiret, "og det er lidt chokerende for mig, at disse simuleringer så pænt replikerer, hvad der foregår."

I et andet sæt eksperimenter, holdet afdækkede en anden, mere spekulativ analogi. Til disse tests forlod de BEC fri for lydbølger, men fremkaldte den samme ekspansion, ser BEC slush frem og tilbage, indtil det slappede af.

På en måde, at afslapning også lignede inflation. Noget af den energi, der drev universets ekspansion, endte i sidste ende med at skabe alt stof og lys omkring os. Og selvom der er mange teorier om, hvordan dette skete, kosmologer er ikke helt sikre på, hvordan den resterende energi blev konverteret til alt det, vi ser i dag.

I BEC, energien i ekspansionen blev hurtigt overført til ting som lydbølger, der rejste rundt i ringen. Nogle tidlige gæt på hvorfor dette skete så lovende ud, men de undlod at forudsige energioverførslen nøjagtigt. Så teamet vendte sig til numeriske simuleringer, der kunne fange et mere komplet billede af fysikken.

Det, der dukkede op, var en kompliceret redegørelse for energiomdannelsen:Efter udvidelsen stoppede, atomer i yderkanten af ​​ringen ramte deres nye, udvidede grænsen og fik reflekteret tilbage mod midten af ​​skyen. Der, de forstyrrede atomer, der stadig rejste udad, skaber en zone i midten, hvor næsten ingen atomer kunne leve. Atomer på hver side af dette ugæstfrie område havde uoverensstemmende kvanteegenskaber, som to naboure, der ikke er synkroniserede.

Situationen var meget ustabil og kollapsede til sidst, hvilket fører til oprettelse af hvirvler i hele skyen. Disse hvirvler, eller små kvanteboblebade, ville bryde fra hinanden og generere lydbølger, der løb rundt om ringen, ligesom partiklerne og strålingen, der er tilovers efter inflationen. Nogle hvirvler slap endda ud af kanten af ​​BEC, skaber en ubalance, der lod skyen rotere.

I modsætning til analogien til Hubble -friktion, den komplicerede historie om, hvordan sloshing af atomer kan skabe snesevis af kvantevirvelbade, ligner måske ikke det, der foregår under og efter inflationen. Men Ted Jacobson, en medforfatter af det nye papir og en fysikprofessor ved University of Maryland med speciale i sorte huller, siger, at hans interaktion med atomfysikere gav fordele uden for disse tekniske resultater.

"Hvad jeg lærte af dem, og fra at tænke så meget over et sådant eksperiment, er nye måder at tænke på kosmologi -problemet, "Siger Jacobson." Og de lærte at tænke over aspekter af BEC, som de aldrig ville have tænkt på før. Om de er nyttige eller vigtige, skal vi se men det var bestemt stimulerende. "

Eckel gentager den samme tanke. "Ted fik mig til at tænke anderledes over processerne i BEC'er, " han siger, "og når som helst du nærmer dig et problem, og du kan se det fra et andet perspektiv, det giver dig en bedre chance for faktisk at løse det problem. "

Fremtidige eksperimenter kan studere den komplicerede overførsel af energi under ekspansion nærmere, eller endda søge efter yderligere kosmologiske analogier. "Det fine er, at ud fra disse resultater, vi ved nu, hvordan vi kan designe eksperimenter i fremtiden for at målrette mod de forskellige effekter, som vi håber at se, "Campbell siger." Og når teoretikere kommer med modeller, det giver os et testbed, hvor vi faktisk kunne studere disse modeller og se, hvad der sker. "