Laboratuvardaki Evren: Atom Bulutu Kullanarak Alternatif Kozmolojinin Test Edilmesi

Almanya’daki Kirchhoff Fizik Enstitüsü’nün bodrum katında araştırmacılar, evreni Büyük Patlama’dan kısa bir süre sonra var olabilecek şekilde simüle ediyorlar. Mutlak sıfıra yakın tutulan potasyum atomlarından (39) oluşan bir numuneyi kontrol etmek için mıknatısların ve lazerlerin kullanılmasını içeren bir masa üstü kuantum alan simülasyonu oluşturdular. Daha sonra, erken evrenin olası özelliklerini keşfetmek amacıyla sonuçları bu küçük ölçekte dönüştürmek için denklemleri kullanıyorlar.

Şu ana kadar yapılan çalışmalar, farklı eğriliğe sahip bir evreni simüle etmenin mümkün olduğunu gösteriyor. Pozitif eğimli bir evrende düz bir çizgide herhangi bir yönde seyahat ederseniz başladığınız yere geri dönersiniz. Negatif kavisli bir evrende uzay bir eyer şeklinde kavislidir. Kirchhoff Fizik Enstitüsü’nde doktora öğrencisi olan Marius Sparn’a göre evren şu anda düz veya neredeyse düz. Ancak varlığının başlangıcında daha olumlu ya da olumsuz bir eğriye sahip olabilir.

Eğrinin etrafında

“Eğer Dünya gibi çok büyük bir küreniz olsaydı ve onun sadece küçük bir kısmını görseydiniz, kapalı mı yoksa sonsuz açık mı olduğunu bilemezdiniz.” Münih Matematik Felsefesi Merkezi üyesi Sabine Hosenfelder şöyle konuştu: “Bu gerçekten felsefi bir soru haline geldi. Bildiğimiz tek şey evrenin gözlemlediğimiz kısmından geliyor. Genellikle insanların bunu ifade etme şekli, bildiğimiz kadarıyla evrenin bu kısmındaki eğriliğin tutarlı olduğu yönündedir.” sıfır ile.”

Sparn makalenin yazarlarından biriydi: “Kavisli uzay-zamandaki dinamiğin kuantum alan simülasyonu“, Kasım 2022’de Nature dergisinde yayınlandı. Ekip, Belçika, İspanya ve Almanya’dan bilim adamlarıyla işbirliği yaptı. Ekip, evrenin erken genişlemesi için üç olası senaryo üzerinde çalıştı: sabit, hızlanan ve yavaşlayan.

Sparn, masa üstü deneyinin, potasyum-39’un, üstündeki ve altındaki bir dizi büyük manyetik bobin arasındaki bir cam hücreye yerleştirilmesini içerdiğini söyledi. Bu manyetik bobinler, bazı lazer cihazlarıyla birlikte numunenin davranışını kontrol etmek için kullanıldı. A’ya göre atomlar iki boyutlu sayılabilecek ince bir katmanda sıkışıp kalmıştı. basın bülteni Heidelberg Üniversitesi’nden.

Sparn, 40 ila 60 nanokelvin sıcaklığa soğutulduğunda potasyum-39’un Bose-Einstein yoğunlaşması olarak bilinen kuantum mekaniksel duruma girdiğini söyledi. Quantum Machines’in üretim müdürü Ramon Zmuk’a göre Bose-Einstein yoğunlaşmaları tek bir büyük parçacık gibi davranıyor.

Sparn, “Bose-Einstein yoğunlaşmamız tamamen kuantum mekaniği tarafından yönetilen bir nesnedir çünkü çok düşük sıcaklıklarda çalışıyoruz” dedi. “Ekip daha sonra küçük rahatsızlıkları arar [the] Kapasitörler. Yani bunu yoğunluk dalgalanmalarının küçük dalgalanmaları olarak hayal edebilirsiniz. Bunlar kuantum mekaniği tarafından yönetilir.

Sparn, “Açıkçası deneyimizin bir turu bir fotoğrafla bitiyor” dedi. “Böylece potasyum-39’un atomik geçişiyle rezonansa giren bir ışık tutuyoruz ve bulutun soğurma görüntülerini alıyoruz. Bu süreçte genellikle yoğunlaşmalarımızı yok ediyoruz. Atomların olduğu yerlerde daha az ışık görüyoruz. Yoğunluğu çıkarabiliyoruz. Yani sonuç Her zaman atomlarımızın yoğunluk dağılımının bir resmine sahibiz ve buradan sonuçlar hakkında daha fazla bilgi almak için istatistiksel analiz yapabiliriz.

Alternatif evrenler

Bilim insanları, erken evrenin nasıl davrandığına dair sonuçlar çıkarmak için kozmolojik denklemleri ve Bose-Einstein yoğunlaşma denklemlerini birbirine bağladılar.

Sparn, ekibin, deney düzeneğinin merkezinden dışarıya doğru ilerleyen potasyum-39 yoğunluğunu artırarak pozitif eğriliği simüle ettiğini söyledi. Negatif eğriliği azaltarak simüle ettiler.

Sparn, “Bose-Einstein yoğunlaşmalarında kavisli ve uzaysal olarak genişleyen uzay-zamanı simüle etmenin mümkün olduğunu gösterdik” dedi. “Homojen ve izotropik bir evren için ihtiyacınız olan şey bu; büyük ölçeklerde adil bir varsayım olmalı.”

Zmock, son birkaç yıldır bilim adamlarının evrendeki karmaşık sistemlerle paralellikler bulmak için kuantum atom sistemlerini kullandığını söyledi. Bu atom fiziği ile astrofiziği birbirine bağlar.

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

Kat Friedrich Wisconsin-Madison Üniversitesi’nde uygulamalı matematik, mühendislik ve fizik dallarında eğitim almaya başlayan eski bir makine mühendisidir. Bilim ve çevre gazeteciliği odaklı yüksek lisans derecesi aldı ve ikisi kurucu ortağı olmak üzere yedi haber yayınının editörlüğünü yaptı. Solar Today adlı enerji dergisinin genel yayın yönetmenidir.