En ny test til at undersøge oprindelsen af ​​kosmisk struktur

Mange kosmologer mener, at universets struktur er et resultat af kvanteudsving, der opstod under tidlig ekspansion. Bekræftelse af denne hypotese, imidlertid, har vist sig meget udfordrende indtil nu, da det er svært at skelne mellem kvante- og klassiske primordiale fluktuationer, når man analyserer eksisterende kosmologiske data.

To forskere ved University of California og Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY i Tyskland har for nylig udtænkt en test baseret på forestillingen om primordial ikke-Gaussianitet, der kunne hjælpe med at fastslå oprindelsen af ​​kosmisk struktur. I deres papir, udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , de hævder, at opdagelse af primordial ikke-Gaussanitet kunne hjælpe med at afgøre, om universets mønstre stammer fra kvante- eller klassiske udsving.

"En af de smukkeste ideer i hele videnskaben er, at den struktur, vi observerede i kosmos, var resultatet af kvanteudsving i det meget tidlige univers, som derefter blev strakt af en hurtig accelereret udvidelse, "Rafael Porto, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Dette 'inflationære' paradigme fremsætter en masse forudsigelser, som er blevet bekræftet af data, alligevel er kvindens natur af det oprindelige frø ekstremt svært at demonstrere direkte. "

Hovedårsagen til, at demonstrationen af ​​kvanteoprindelsen af ​​universets struktur er så vanskelig, er, at inflationen også kunne have strakt klassiske forstyrrelser, resulterer i en meget ens galaksefordeling. I deres papir, Porto og hans kollega Daniel Green introducerede ideen om, at mens kvante- og klassiske fluktuationer ville have resulteret i lignende galaksefordelinger, nogle særlige mønstre ville afvige i strukturer af kvanteoprindelse. Observation af disse mønstre kunne derfor give forskere mulighed for at teste oprindelsen af ​​kosmisk struktur.

"Meget af den formalisme, vi brugte til at studere mønstrene for galakser på himlen, ligner den måde, partikelfysikere studerer spredningsprocesser ved kollidere, Porto forklarede. "I kosmologi taler vi om 'korrelationer, ' mens vi i partikelfysik taler om 'amplituder, ' men der er meget til fælles mellem de to. Ved at bruge nogle grundlæggende fysiske principper og symmetrier, vi demonstrerede, at klassiske mekanismer ville have produceret et stort antal partikler og som følge heraf en meget specifik signatur i mønstret af galakser, såsom 'bump' i kolliderdata."

Porto og Green viste, at en kosmologisk signatur, der ligner tilstedeværelsen af ​​'bump' i kolliderdata, kan indikere, at universets struktur stammer fra klassiske fluktuationer. På den anden side, fraværet af disse 'bump' ville antyde, at nulpunkts kvanteudsving var nøgleagenterne bag dannelsen af ​​kosmisk struktur.

"Folk har før forsøgt at finde en signatur for strukturens kvanteoprindelse og fundet ud af, at effekten er undertrykt med 115 størrelsesordener, det er en 0.…. 115 gange... 1 effekt, " tilføjede Porto. "Vi har vist, at mens dette er svært at observere på grund af forurening fra andre kilder under processen med strukturdannelse, hvis der overhovedet er et ursignal, effekten af ​​klassiske forstyrrelser er orden 1. Det betyder, at vi har opnået en forbedring på 115 størrelsesordener i forhold til tidligere forslag."

I de seneste årtier har kosmologer, der har undersøgt oprindelsen af ​​universets struktur, har primært ledt efter den såkaldte 'B-mode' polarisering i den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB), da denne polarisering kunne være et produkt af primordiale kvantegravitationseffekter under inflation. I stedet for at lede efter 'B-tilstand'-polariseringen som en indikator for kvantegravitationseffekter, Porto og Green vendte problemet og fandt ud af, at et andet mønster, kendt som den "foldede konfiguration for korrelationsfunktionerne, " bærer kimen til klassiske udsving.

"Der er en lang historie med mennesker, der tester kvantemekanik i laboratoriet ved at bruge noget, der kaldes Bells uligheder, Green fortalte Phys.org. "Den væsentlige idé er, at hvis du har et kvantesystem, der er visse former for målinger, du kan udføre, der vil afsløre statens sande kvantemekaniske natur. Udfordringen i kosmologi er, at (1) det univers, vi observerer, i bund og grund er klassisk, og (2) vi ikke kan udføre eksperimenter, ', da vi ikke får manipuleret universets tilstand. Nyheden i vores arbejde er, at vi viste, at du stadig kan fortælle, at det kom fra en kvantemekanisk tilstand i en fjern fortid, trods disse store forhindringer. "

Porto og Greens nylige undersøgelse introducerer en ny metode til at teste hypotesen om, at universets struktur er af kvantenatur. I det væsentlige, forskerne teoretiserer, at hvis man ikke kan observere et 'bump' i den såkaldte foldede konfiguration af ikke-Gaussiske korrelationsfunktioner, universets struktur ville have stammet fra kvante nul udsving, som i klassisk fysik, vakuumet er tomt.

Lakmustesten introduceret i deres papir adskiller sig meget fra tidligere foreslåede test af kvantemekanik og omgår således mange af de problemer, der er forbundet med disse test. I deres fremtidige arbejde, Porto og Green planlægger at undersøge, om deres test også kan anvendes til laboratoriebaserede eksperimenter på kvantesystemer.

"Dan og jeg tænker nu også på, hvordan kvanteinformationsideer yderligere kan pege på arten af ​​det oprindelige frø og i mere praktiske termer også hjælpe os med at levere en hurtigere algoritme til at simulere universets udvikling, måske som kvantecomputere vil gøre en dag, " sagde Porto.

© 2020 Science X Network