Espandere l’universo in laboratorio

&proiettile; Fisica 15, 176

I ricercatori controllano la velocità del suono in un gas estremamente freddo, simulando le caratteristiche dello spazio-tempo curvo e riproducendo il comportamento del campo quantistico previsto nei primi modelli dell’universo.

C.Viermann et al. [1]; Adattato da M. Schirber
Lo spazio si è espanso nel tempo R È simboleggiato dall’aumento della distanza tra i due punti rossi (a sinistra). Ciò equivale a mantenere costanti le coordinate mentre si diminuisce la velocità del suono Quinto Nel tempo (a destra).

Analizzando la struttura su larga scala dell’universo, i cosmologi hanno concluso che lo spazio si espanse rapidamente nei momenti successivi al Big Bang. Durante questa espansione, l’universo era vuoto, fatta eccezione per i campi quantistici che risiedono nel vuoto. Il modo in cui questi campi si sono evoluti nello spazio-tempo curvo di un universo in espansione rimane una questione aperta, la cui soluzione potrebbe aiutare gli scienziati a capire come nascono le particelle. I ricercatori dell’Università di Heidelberg in Germania hanno prodotto un sistema analogico per studiare questi campi [1]. In un condensato di Bose-Einstein (BEC) di atomi molto freddi, hanno dimostrato le proprietà che definiscono lo spazio e il tempo curvi, fornendo un nuovo strumento per simulare l’evoluzione del campo quantistico nell’universo in espansione.

Riprodurre lo spazio-tempo curvo non è un compito facile, perché richiede una distorsione del lato spazio e del lato tempo del sistema. La curvatura spaziale si riferisce alla geometria del sistema: se è piatto, sferico o iperbolico. La curvatura del tempo implica l’evoluzione del sistema: sia esso in espansione, in contrazione o stazionario. Nel 1980, William Unruh dell’Università della British Columbia, in Canada, ha sottolineato che le onde sonore che si propagano in un fluido in movimento presentano un’analogia con le onde luminose che si propagano attraverso lo spazio-tempo curvo. Da allora sono stati sviluppati altri tipi di simulatori, che utilizzano tutti il ​​flusso del fluido per riprodurre gli effetti di flessione.

Sulla base di questi concetti, Markus Oberthaler e colleghi dell’Università di Heidelberg hanno progettato un analogo di flessione spazio-temporale di un fluido BEC immobile. Il loro trucco era controllare la velocità del suono sul BEC. Ad esempio, riducendo la velocità del suono, possono aumentare la distanza effettiva tra due punti: il suono impiegherà più tempo a viaggiare da un punto all’altro. Questo controllo della velocità può essere utilizzato per creare un’efficiente “curvatura” dello spazio-tempo.

I ricercatori hanno realizzato il loro sistema intrappolando ioni di potassio-39 molto freddi in una trappola ottica. La trappola ha modificato la distribuzione dell’intensità BEC, consentendo il controllo spaziale della velocità del suono. I ricercatori hanno dimostrato, ad esempio, che una particolare configurazione della trappola creava un profilo di intensità con un picco liscio al centro, facendo sì che la velocità del suono fosse alta al centro e bassa attorno al perimetro. Le onde sonore che attraversano questo gas dovrebbero deviare fuori centro nel modello previsto per una proiezione bidimensionale dell’universo iperbolico.

Per verificare che il BEC si avvicini a una geometria spazialmente curva, i ricercatori hanno focalizzato un raggio laser vicino al centro del BEC e hanno osservato le vibrazioni di intensità che corrispondono alle onde sonore quantistiche chiamate fononi. Hanno misurato la posizione di questi fononi mentre si propagavano verso l’esterno dal punto focale e hanno scoperto che le traiettorie corrispondevano alle previsioni di una geometria spazialmente curvilinea. Hanno ripetuto questi esperimenti sia per le geometrie iperboliche che per quelle sferiche.

Riducendo la forza di interazione tra gli atomi nel BEC si ottengono fluttuazioni di intensità (a destra) rispetto al caso senza pendenza (a sinistra). Le fluttuazioni di densità potenziate, che appaiono in posizioni casuali in diverse traiettorie sperimentali (estrema destra), simulano la produzione di particelle in un universo in rapida espansione.Riducendo la forza di interazione tra gli atomi nel BEC si ottengono fluttuazioni di intensità (a destra) rispetto al caso senza pendenza (a sinistra). Fluttuazioni di intensità migliorate, mostrate in posizioni casuali in diversi esperimenti… Mostra di più

Per controllare temporalmente la velocità del suono, il team ha applicato al gas un campo magnetico uniforme, che ha alterato la forza dell’interazione microscopica tra gli atomi di potassio. Indebolendo queste interazioni nel tempo, il BEC ha agito come se si stesse espandendo. “Questo è un passo importante in quanto possiamo implementare l’espansione senza espandere attivamente il sistema o modificare la distribuzione della densità”, afferma Oberthaler.

Per studiare gli effetti dell’espansione, i ricercatori hanno osservato come la distribuzione della densità BEC è cambiata dopo che la forza di interazione è diminuita, corrispondente alla dimensione dell’universo quasi triplicata. Hanno scoperto che le fluttuazioni di maggiore intensità sembravano essere diffuse dopo la rampa, come ci si aspetterebbe dall’espansione dello spazio. Queste fluttuazioni di maggiore intensità sono coerenti con la “produzione di particelle” all’interno del campo fononico, in accordo con le previsioni della teoria dei campi quantistici per un universo in espansione.

Regolando il comportamento del pendio, i ricercatori hanno osservato come le fluttuazioni di densità si sono evolute nel tempo in scenari di accelerazione, decelerazione ed espansione uniformi. Nella maggior parte dei casi, le correlazioni del contrasto di intensità sono aumentate dopo la pendenza, come ci si aspetterebbe da un cono sonoro in crescita. Ha anche abbinato l’evoluzione temporale delle fluttuazioni di densità con le cosiddette oscillazioni di Sakharov, che sono state previste nei modelli dell’universo in espansione.

La dimostrazione riunisce decenni di teoria e concetti sperimentali, afferma Chen-Long Hong, un fisico che lavora con gas quantistici ultrafreddi alla Purdue University, nell’Indiana. “Gli strumenti c’erano, ma questa è la prima volta che tutto è stato combinato così bene per dimostrare che è possibile progettare lo spazio-tempo curvo e le firme sperimentali chiave”. Hong aggiunge che potrebbe essere possibile simulare buchi neri acustici e visualizzare l’evoluzione dei campi quantistici in queste nuove geometrie in un esperimento da tavolo.

Secondo Stefano Liberati, che studia gravità quantistica e classica presso l’Istituto Internazionale di Studi Avanzati in Italia, la cosa più eccitante del simulatore BEC è che è così versatile. “Possono controllare separatamente la curvatura e la dipendenza dal tempo, il che offre la possibilità non solo di simulare modelli standard, ma anche di simulare la fisica esotica”, afferma.

-Rachel Berkowitz

Rachel Berkowitz è editor corrispondente presso Giornale di fisica Con sede a Vancouver, Canada.

Riferimenti

  1. C.Viermann et al.Simulatore di campo quantistico per la dinamica nello spazio-tempo curvo. natura 611260 (2022).

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