Reduktion des Modells des expandierenden Universums auf das Labor

Sie reduzierten das Modell des expandierenden Universums auf das Labor
Reduktion des Modells des expandierenden Universums auf das Labor - Die Ausdehnung des Raums über die Zeit t wird kodiert, indem der Abstand zwischen den beiden roten Punkten (links) vergrößert wird. Dies entspricht der Verringerung der Schallgeschwindigkeit v über die Zeit bei konstanten Koordinaten (rechts).

Forscher manipulieren die Schallgeschwindigkeit in einem ultrakalten Gas, um die Eigenschaften einer gekrümmten Raumzeit nachzuahmen und das Verhalten von Quantenfeldern nachzuahmen, das von frühen Universumstheorien vorhergesagt wurde.

Die großräumige Struktur des Universums hat Kosmologen zu dem Schluss geführt, dass sich der Weltraum kurz nach dem Urknall schnell ausdehnt. Abgesehen von Quantenfeldern im Vakuum war das Universum während dieser Expansion leer. Wie sich diese Felder in der kräuselnden Raumzeit eines expandierenden Universums entwickelt haben, ist noch unklar, aber die Suche nach einer Antwort könnte Aufschluss über die Ursprünge der Teilchen geben.

Was ist Raum-Zeit-Krümmung?

Um diese Bereiche zu erforschen, haben Forscher der Universität Heidelberg in Deutschland jetzt ein analoges System geschaffen. Ein ultrakaltes Atom In der Bose-Einstein-Kondensation (BEC) Sie stellen eine neue Methode zur Simulation der Entwicklung von Quantenfeldern in einem expandierenden Universum vor, die Eigenschaften aufweisen, die mit gekrümmtem Raum und gekrümmter Zeit übereinstimmen.

Die Wiederherstellung einer gekrümmten Raumzeit ist keine leichte Aufgabe, da sowohl die Raumrichtung als auch die zeitliche Richtung des Systems gebogen werden müssen. Die Geometrie des Systems (egal ob flach, kugelförmig oder hyperbolisch) beeinflusst die räumliche Krümmung. Die Zeitkrümmung hingegen betrachtet die Entwicklung des Systems als stationär, expandierend oder beides. William Unruh von der University of British Columbia in Kanada machte 1980 die Beobachtung, dass Lichtwellen, die sich in gekrümmter Raumzeit ausbreiten, mit Schallwellen verglichen werden können, die sich in einer strömenden Flüssigkeit ausbreiten. Seitdem wurden andere Simulatoren entwickelt, die die Auswirkungen der Krümmung mithilfe von Flüssigkeitsströmungen nachahmen.

Basierend auf diesen Ideen haben Markus Oberthaler und seine Kollegen an der Universität Heidelberg ein gekrümmtes Raum-Zeit-Analogon in einer stationären BEC-Flüssigkeit entwickelt. Sie haben bei BEC einen Raubüberfall begangen, indem sie den Ton verlangsamt haben. Beispielsweise können sie den effektiven Abstand zwischen zwei Punkten vergrößern, indem sie die Schallgeschwindigkeit verlangsamen, da der Schall länger braucht, um sich zwischen zwei Punkten zu bewegen.

Die effektive „Krümmung“ der Raumzeit kann durch Steuerung der Geschwindigkeit erreicht werden.

Die Technologie wurde von Forschern entwickelt, indem ultrakalte Kalium-39-Ionen in einem optischen Gerät eingefangen wurden. Die Falle veränderte die BEC-Intensitätsverteilung und ermöglichte eine räumliche Schallgeschwindigkeitssteuerung. Die Forscher zeigten beispielsweise, dass eine bestimmte Fallenstruktur ein Intensitätsprofil mit einer glatten Spitze in der Mitte erzeugt, was zu einer hohen Schallgeschwindigkeitsverteilung im Zentrum und einer niedrigen in der Peripherie führt. Das für eine 2D-Projektion eines hyperbolischen Universums vorhergesagte Modell sollte in der Art und Weise gesehen werden, wie Schallwellen, die durch dieses Gas wandern, sich vom Zentrum weg krümmen.

Die Forscher konzentrierten einen Laserstrahl in der Nähe des Zentrums ihres BEC und suchten nach Intensitätsvibrationen, die quantisierten Schallwellen, den sogenannten Phononen, entsprechen, um zu bestätigen, dass ihr BEC einer räumlich gekrümmten Geometrie angenähert war. Als sie die Positionen der Phononen verfolgten, während sie vom Brennpunkt ausstrahlten, entdeckten sie, dass die Umlaufbahnen mit dem übereinstimmten, was bei einer räumlich gekrümmten Geometrie zu erwarten wäre. Diese Tests wurden auch für sphärische und hyperbolische Geometrien wiederholt.

Die Wissenschaftler setzten das Gas einem kohärenten Magnetfeld aus, das die winzigen Wechselwirkungsstärken zwischen den Kaliumatomen verändert und eine zeitliche Kontrolle der Schallgeschwindigkeit ermöglicht. Das BEC tat so, als würde es expandieren, indem es diese Verbindungen schrittweise reduzierte. Laut Oberthaler macht die Möglichkeit, Erweiterungen anzuwenden, ohne das System aktiv zu erweitern oder die Dichteverteilung zu ändern, dies zu einem entscheidenden Schritt.

Die Forscher untersuchten, wie sich die Intensitätsverteilung von BEC nach Verringerung der Interaktionsintensität veränderte; was einem fast doppelt so großen Universum entsprach. Sie entdeckten, dass es, wie es im expandierenden Raum zu erwarten wäre, nach der Rampe großflächige verstärkte Dichteänderungen gibt. Diese erhöhten Dichteschwankungen wurden mit der "Partikelerzeugung" innerhalb des Phononenfeldes in Verbindung gebracht, in Übereinstimmung mit Vorhersagen eines expandierenden Universums, die von der Quantenfeldtheorie gemacht wurden.

Die Forscher modifizierten das Rampenverhalten und überwachten die Entwicklung von Intensitätsschwankungen unter Beschleunigungs-, Verzögerungs- und gleichmäßigen Expansionsszenarien. Größtenteils wuchsen Intensitätskontrastkorrelationen im Anschluss an die Rampe, wie es für einen sich ausdehnenden Schallkegel zu erwarten wäre. Die zeitliche Entwicklung der Dichteschwankungen entsprach auch den Sacharow-Oszillationen, wie sie von den Theorien des expandierenden Universums vorhergesagt wurden.

Laut dem Physiker Chen-Lung Hung, der an der Purdue University in Indiana ultrakalte Quantengase untersucht, vereint diese Demonstration jahrzehntelange Theorie und Prinzipien des Experimentierens. Obwohl die Quellen verfügbar sind, ist dies das erste Beispiel, in dem gekrümmte Raumzeit und wichtige experimentelle Marker effektiv kombiniert wurden, um zu zeigen, dass sie erstellt werden können.

Laut Hung könnte es möglich sein, akustische Schwarze Löcher in einem Tischexperiment zu simulieren und zu sehen, wie sich Quantenfelder in diesen neuen Geometrien verändern.

Die Vielseitigkeit des BEC-Simulators macht ihn laut Stefano Liberati, Professor für Quanten- und klassische Gravitation am International Institute for Advanced Studies in Italien, so interessant.

Er behauptet, dass sie die Krümmung und die Zeitabhängigkeit unabhängig voneinander ändern können, was die Simulation ungewöhnlicher Physik zusätzlich zu normalen Modellsimulationen ermöglicht.

Quelle: physical.aps.org/articles/v15/176

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