L’universo in laboratorio: testare la cosmologia alternativa utilizzando una nuvola di atomi

L’universo in laboratorio: testare la cosmologia alternativa utilizzando una nuvola di atomi
Ingrandire / Onde di densità nei condensati di Bose-Einstein.

Nel seminterrato dell’Istituto Kirchhoff di fisica in Germania, i ricercatori hanno simulato l’universo come avrebbe potuto esistere poco dopo il Big Bang. Hanno creato una simulazione da tavolo del campo quantistico che prevede l’uso di magneti e laser per controllare un campione di atomi di potassio 39 mantenuti vicino allo zero assoluto. Quindi usano equazioni per tradurre i risultati su questa piccola scala per esplorare le possibili caratteristiche dell’universo primordiale.

Il lavoro svolto finora mostra che è possibile simulare un universo con una curvatura diversa. In un universo curvo positivamente, se viaggi in qualsiasi direzione in linea retta, tornerai al punto di partenza. In un universo curvo negativamente, lo spazio è curvo a forma di sella. L’universo è attualmente piatto o quasi piatto, secondo Marius Sparn, dottorando presso il Kirchhoff Institute for Physics. Ma all’inizio della sua esistenza, potrebbe essere stato curvato più positivamente o negativamente.

Intorno alla curva

“Se avessi una sfera davvero enorme, come la Terra o qualcosa del genere, e se ne vedessi solo una piccola parte, non sapresti se è chiusa o è infinitamente aperta?” ha detto Sabine Hosenfelder, membro del Centro di filosofia matematica di Monaco. “È diventata una questione veramente filosofica. Le uniche cose che sappiamo provengono dalla parte dell’universo che osserviamo. Di solito, il modo in cui la gente lo esprime è che, per quanto ne sappiamo, la curvatura in questa parte dell’universo è coerente con zero.”

Sparn è stato uno degli autori del documento, “Simulazione quantistica del campo della dinamica nello spaziotempo curvo“, pubblicato sulla rivista Nature nel novembre 2022. Il team ha collaborato con scienziati provenienti da Belgio, Spagna e Germania. Il team ha studiato tre possibili scenari per l’espansione iniziale dell’universo: stabile, in accelerazione e in decelerazione.

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L’esperimento da tavolo prevedeva il posizionamento del potassio-39 in una cella di vetro tra una serie di grandi bobine magnetiche sopra e sotto di essa, ha detto Sparn. Queste bobine magnetiche, insieme ad alcuni dispositivi laser, sono state utilizzate per controllare il comportamento del campione. Gli atomi erano intrappolati in uno strato sottile che poteva essere considerato bidimensionale, secondo A comunicato stampa Dall’Università di Heidelberg.

Quando raffreddato a una temperatura compresa tra 40 e 60 nanokelvin, il potassio-39 entra in uno stato quantomeccanico noto come condensato di Bose-Einstein, ha detto Sparn. I condensati di Bose-Einstein agiscono come un’unica particella massiccia, secondo Ramon Zmuk, product manager di Quantum Machines.

“Il nostro condensato di Bose-Einstein è un oggetto completamente governato dalla meccanica quantistica perché lavoriamo a temperature molto basse”, ha detto Sparn. “La squadra poi cerca piccoli disturbi [the] Condensatori. Quindi puoi pensarlo come piccole increspature di fluttuazioni di densità. Questi sono governati dalla meccanica quantistica.

“Ovviamente un round del nostro esperimento termina con una foto”, ha detto Sparn. “Quindi emettiamo luce che risuona con la transizione atomica del potassio-39 e scattiamo immagini di assorbimento della nuvola. Nel processo, in genere distruggiamo i nostri condensati. Vediamo meno luce nei luoghi in cui si trovano gli atomi. Possiamo estrarre la densità degli atomi da quello Quindi il risultato finale Abbiamo sempre un’immagine della distribuzione della densità dei nostri atomi, e da lì possiamo eseguire analisi statistiche per ottenere maggiori informazioni sui risultati.

Universi alternativi

Gli scienziati hanno collegato le equazioni dell’universo e le equazioni del condensato di Bose-Einstein per trarre conclusioni su come si comportava l’universo primordiale.

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Il team ha simulato una curvatura positiva aumentando la densità del potassio-39 dirigendosi verso l’esterno dal centro dell’apparato sperimentale, ha detto Sparn. Hanno simulato la curvatura negativa riducendola.

“Abbiamo dimostrato che è possibile simulare lo spaziotempo curvo e in espansione spaziale nei condensati di Bose-Einstein”, ha detto Sparn. “Questo è ciò di cui abbiamo bisogno per un universo omogeneo e isotropo, il che dovrebbe essere un presupposto corretto su larga scala”.

Negli ultimi anni, gli scienziati hanno utilizzato i sistemi atomici quantistici per trovare paralleli con i sistemi complessi nell’universo, ha detto Zmock. Ciò collega la fisica atomica e l’astrofisica.

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

Kat Federico È un ex ingegnere meccanico che ha iniziato a specializzarsi in matematica applicata, ingegneria e fisica presso l’Università del Wisconsin-Madison. Ha conseguito una laurea con specializzazione in giornalismo scientifico e ambientale e ha curato sette pubblicazioni di notizie, due delle quali ha co-fondato. È caporedattrice della rivista energetica Solar Today.

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