Из экзотического состояния материи создали аналог Вселенной

Ученые Гейдельбергского университета (Германия) создали в лаборатории аналог ранней Вселенной, используя охлажденные до экстремальных температур атомы калия, сформировавшие экзотическое состояние материи — конденсат Бозе-Эйнштейна. Эта модель была использована для изучения квантовых флуктуаций, которые могли бы сыграть важную роль во время инфляции — резкого расширения пространства после Большого взрыва. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Известно, что распространение волн в потоке как обычной жидкости, так и в жидкости, свойства которой зависят от макроскопических квантовых эффектов, может служить близким аналогом поведения квантового поля в пространстве-времени. Например, ученые проводили эксперименты с жидкими потоками, скорость которых переходила от дозвуковых к сверхзвуковым значениям для имитирования горизонта событий черной дыры. В новой работе ученые показали, что для имитации квантовых эффектов в расширяющейся Вселенной можно использовать неподвижную сверхтекучую жидкость.

В ходе эксперимента был создан плоский конденсат Бозе-Эйнштейна из 23 тысяч атомов калия-39 внутри магнитной ловушки. Бозе-конденсат — это состояние материи, которое возникает, когда частицы или атомы, относящиеся к бозонам, охлаждают почти до абсолютного нуля, в данном случае до нескольких десятков нанокельвинов. Бозоны способны находиться в одном и том же основном квантовом состоянии (грубо говоря, их принципиально нельзя отличить одну от другой) и ведут себя подобно одной «размытой» частице, что создает квантовые эффекты, видимые невооруженным глазом. Одним из таких эффектов является сверхтекучесть — способность жидкости обтекать узкие барьеры без трения.

В Бозе-конденсате роль квантовых полей играли фононы — квазичастицы, представляющую собой неделимую порцию энергии или квант согласованного колебательного движения атомов. Ученые регулировали плотность конденсата таким образом, чтобы фононы распространялись в нем в соответствии с определенной геометрией пространства-времени, называемой метрикой Фридмана-Лемэтра-Робертсона-Уокера (FLRW) или Вселенной Фридмана. Это космологическая модель, основанная на общей теории относительности Эйнштейна, описывает нестационарную Вселенную, которая может сжиматься или расширяться.

Известно, что во время инфляционной фазы Вселенная претерпела чрезвычайно быстрое экспоненциальное расширение, которое привело к рождению пар частиц. В Бозе-жидкости, имитирующей инфляцию, ученые наблюдали усиленные флуктуации плотности конденсата, которые объясняются появлением новых фононов, что соответствует квантовой теории поля. По словам авторов работы, их экспериментальная система позволяет исследовать фундаментальные проблемы квантовой физики, такие как запутанность в искривленном пространстве-времени, космологические горизонты событий, термодинамика и общая теория относительности.