在量子液滴中模拟膨胀的宇宙

发布时间：2023-03-28 09:24:41 所属栏目：外闻来源：

导读：不幸的是，对于宇宙学领域来说，只有一个宇宙。这使得以与其他科学领域相同的方式进行实验成为相当大的挑战。但事实证明，宇宙渗透其中的量子场与玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）等量子流体高度相似，至少从数学角度来看

不幸的是，对于宇宙学领域来说，只有一个宇宙。这使得以与其他科学领域相同的方式进行实验成为相当大的挑战。但事实证明，宇宙渗透其中的量子场与玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）等量子流体高度相似，至少从数学角度来看是这样。这些流体可以成为实验的主题，宇宙学在实验室上被允许。

在发表在《自然》杂志上的一篇论文中，德国海德堡大学的研究人员首次使用BEC来模拟膨胀的宇宙和其中的某些量子场。这允许研究重要的宇宙学情景。宇宙目前不仅在膨胀，而且据信在大爆炸后的最初几分之一秒内，它经历了一段被称为“暴胀”的极快膨胀时期。这个过程将早期宇宙中量子场的微观波动扩大到星系团的大小，为我们今天宇宙的大规模结构播下种子。

声子是通过向BEC发射激光而产生的。当激光关闭时，声子振动通过液滴传播。量子粒子会沿着轨迹运动,其时空曲率会使其移动到一定轨道。因此，通过研究这些星子的轨迹，研究人员能够确认模拟的宇宙具有他们所瞄准的空间曲率。

就像真实的东西：在暴胀斜坡之前（左）和之后（中间）测量的 BEC 密度。颗粒度的增加是更大的密度波动的结果 - 这是膨胀在流体中产生声子的结果。同样的现象被认为是宇宙中物质大规模分布的原因。这种分布在右边由今天宇宙中暗物质分布模拟的一部分来说明。（图片由C Viermann et al./自然，沃尔克·斯普林格尔/马克斯普朗克天体物理研究所/CC BY-SA 4.0）

正如预期的那样，他们观察到的实际上与声子的产生相对应。由于这些声子相互干扰，它们在BEC中产生了随机密度波动的模式。因此，他们观察到了预测的相同现象，这种现象是导致早期宇宙中大规模结构播种的原因。

“已经简化的宇宙学模型，就像我们考虑的那样，它们可能包含了我们宇宙内存在的一些我们未知的现象，”Nature论文的共同作者之一Marius Sparn解释说。

甚至这个原理验证实验也包含着有趣的惊喜。声子不仅由膨胀斜坡产生，而且它们的集体振荡特性取决于所执行的斜坡类型。声子包含的信息揭示了膨胀是恒定的，加速的还是减速的。Sparn说，只有通过理论和实验之间的相互作用才能理解这个有趣的特征，这个实验表明了这种基于实验室的研究方式是可行的。

（编辑：汽车网）

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