Onderzoekers die met een wolk van ultrakoude atomen speelden, ontdekten gedrag dat een opvallende gelijkenis vertoont met het universum in de microkosmos. Hun werk, die nieuwe verbindingen smeedt tussen atoomfysica en de plotselinge uitdijing van het vroege heelal, werd gepubliceerd op 19 april in Fysieke beoordeling X en te zien in Natuurkunde .

"Vanuit het perspectief van de atoomfysica, het experiment wordt prachtig beschreven door bestaande theorie, " zegt Stephen Eckel, een atoomfysicus bij het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de hoofdauteur van het nieuwe artikel. "Maar nog opvallender is hoe die theorie aansluit bij de kosmologie."

In verschillende reeksen experimenten, Eckel en zijn collega's breidden snel de grootte uit van een donutvormige wolk van atomen, het maken van snapshots tijdens het proces. De groei gaat zo snel dat de wolk blijft zoemen, en een verwant gezoem kan op kosmische schalen zijn verschenen tijdens de snelle expansie van het vroege heelal - een tijdperk dat kosmologen de periode van inflatie noemen.

Het werk bracht experts in atoomfysica en zwaartekracht samen, en de auteurs zeggen dat het een bewijs is van de veelzijdigheid van het Bose-Einstein-condensaat (BEC) - een ultrakoude wolk van atomen die kan worden beschreven als een enkel kwantumobject - als een platform voor het testen van ideeën uit andere gebieden van de natuurkunde.

"Misschien zal dit op een dag toekomstige modellen van kosmologie informeren, ' zegt Eckel. 'Of andersom. Misschien komt er een model van kosmologie dat moeilijk op te lossen is, maar dat je zou kunnen simuleren met een koud atomair gas."

Het is niet de eerste keer dat onderzoekers BEC's en kosmologie met elkaar verbinden. Eerdere studies bootsten zwarte gaten na en zochten naar analogen van de straling die naar verwachting uit hun schaduwrijke grenzen zou stromen. De nieuwe experimenten richten zich in plaats daarvan op de reactie van het BEC op een snelle expansie, een proces dat verschillende analogieën suggereert met wat er tijdens de inflatieperiode kan zijn gebeurd.

De eerste en meest directe analogie betreft de manier waarop golven door een uitzettend medium reizen. Zo'n situatie komt niet vaak voor in de natuurkunde, maar het gebeurde tijdens inflatie op grote schaal. Tijdens die uitbreiding, de ruimte zelf rekte alle golven uit tot veel grotere afmetingen en stal energie van hen via een proces dat bekend staat als Hubble-wrijving.

In een reeks experimenten, onderzoekers zagen analoge kenmerken in hun wolk van atomen. Ze drukten een geluidsgolf op hun wolk af - afwisselende gebieden met meer atomen en minder atomen rond de ring, als een golf in het vroege heelal - en zag het uiteenvallen tijdens expansie. Niet verrassend, de geluidsgolf strekte zich uit, maar de amplitude nam ook af. De wiskunde onthulde dat deze demping net op Hubble-wrijving leek, en het gedrag werd goed vastgelegd door berekeningen en numerieke simulaties.

"Het is alsof we de BEC raken met een hamer, " zegt Gretchen Campbell, de NIST co-directeur van het Joint Quantum Institute (JQI) en een co-auteur van het artikel, "en het is een beetje schokkend voor mij dat deze simulaties zo mooi nabootsen wat er aan de hand is."

In een tweede reeks experimenten, het team ontdekte een andere, meer speculatieve analogie. Voor deze tests lieten ze de BEC vrij van geluidsgolven, maar veroorzaakten dezelfde expansie, kijken hoe de BEC heen en weer klotst totdat hij ontspande.

Op een manier, die versoepeling leek ook op inflatie. Een deel van de energie die de uitdijing van het universum dreef, leidde uiteindelijk tot het creëren van alle materie en licht om ons heen. En hoewel er veel theorieën zijn over hoe dit gebeurde, kosmologen weten niet precies hoe die overgebleven energie is omgezet in alle dingen die we tegenwoordig zien.

In het BEC, de energie van de uitzetting werd snel overgebracht naar dingen zoals geluidsgolven die door de ring reisden. Sommige vroege gissingen over waarom dit gebeurde, zagen er veelbelovend uit, maar ze slaagden er niet in om de energieoverdracht nauwkeurig te voorspellen. Dus wendde het team zich tot numerieke simulaties die een completer beeld van de fysica konden vastleggen.

Wat naar voren kwam, was een ingewikkeld verslag van de energieconversie:nadat de expansie was gestopt, atomen aan de buitenrand van de ring raken hun nieuwe, grens verbreed en werd teruggekaatst naar het midden van de wolk. Daar, ze interfereerden met atomen die nog steeds naar buiten reizen, het creëren van een zone in het midden waar bijna geen atomen zouden kunnen leven. Atomen aan weerszijden van dit onherbergzame gebied hadden niet-overeenkomende kwantumeigenschappen, als twee naburige klokken die niet synchroon lopen.

De situatie was zeer onstabiel en stortte uiteindelijk in, wat leidt tot het ontstaan ​​van draaikolken door de hele cloud. Deze draaikolken, of kleine kwantumdraaikolken, zou uiteenvallen en geluidsgolven genereren die rond de ring liepen, zoals de deeltjes en straling die overblijven na het opblazen. Sommige wervelingen ontsnapten zelfs aan de rand van de BEC, het creëren van een onbalans waardoor de wolk ronddraaide.

In tegenstelling tot de analogie met Hubble-wrijving, het gecompliceerde verhaal van hoe klotsende atomen tientallen kwantumdraaikolken kunnen creëren, lijkt misschien niet op wat er tijdens en na inflatie gebeurt. Maar Ted Jacobson, een co-auteur van het nieuwe artikel en een natuurkundeprofessor aan de Universiteit van Maryland, gespecialiseerd in zwarte gaten, zegt dat zijn interactie met atoomfysici voordelen opleverde buiten deze technische resultaten.

"Wat ik van hen heb geleerd, en door zoveel na te denken over zo'n experiment, zijn nieuwe manieren om over het kosmologische probleem na te denken, ', zegt Jacobson. 'En ze leerden na te denken over aspecten van het BEC waar ze voorheen nooit aan hadden gedacht. Of die nuttig of belangrijk zijn, valt nog te bezien, maar het was zeker stimulerend."

Eckel herhaalt dezelfde gedachte. "Ted heeft me anders laten nadenken over de processen in BEC's, " hij zegt, "en elke keer dat je een probleem benadert en je kunt het vanuit een ander perspectief bekijken, het geeft je een betere kans om dat probleem daadwerkelijk op te lossen."

Toekomstige experimenten kunnen de gecompliceerde overdracht van energie tijdens expansie nader bestuderen, of zelfs zoeken naar verdere kosmologische analogieën. "Het mooie is dat uit deze resultaten, we weten nu hoe we in de toekomst experimenten moeten ontwerpen om de verschillende effecten die we hopen te zien, aan te pakken, ', zegt Campbell. 'En als theoretici modellen bedenken, het geeft ons een testbed waar we die modellen daadwerkelijk kunnen bestuderen en zien wat er gebeurt."