Veel kosmologen geloven dat de structuur van het universum het resultaat is van kwantumfluctuaties die zich hebben voorgedaan tijdens de vroege expansie. Deze hypothese bevestigend, echter, is tot nu toe zeer uitdagend gebleken, omdat het moeilijk is om onderscheid te maken tussen kwantum- en klassieke oerfluctuaties bij het analyseren van bestaande kosmologische gegevens.

Twee onderzoekers van de Universiteit van Californië en Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY in Duitsland hebben onlangs een test ontwikkeld op basis van het idee van primordiale niet-Gaussianiteit die zou kunnen helpen om de oorsprong van de kosmische structuur vast te stellen. In hun krant gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , ze beweren dat het detecteren van primordiale niet-Gaussaniteit zou kunnen helpen bepalen of de patronen van het universum afkomstig zijn van kwantum- of klassieke fluctuaties.

"Een van de mooiste ideeën in de hele wetenschap is dat de structuur die we in de kosmos hebben waargenomen het gevolg was van kwantumfluctuaties in het zeer vroege heelal die vervolgens werden uitgerekt door een snelle versnelde uitdijing, "Rafael Porto, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Dit 'inflatoire' paradigma doet veel voorspellingen die zijn bevestigd door gegevens, toch is de kwantumaard van het oerzaad buitengewoon moeilijk om rechtstreeks aan te tonen."

De belangrijkste reden dat het aantonen van de kwantumoorsprong van de structuur van het universum zo moeilijk is, is dat inflatie ook klassieke verstoringen kan hebben uitgerekt, wat resulteert in een zeer vergelijkbare melkwegverdeling. In hun krant Porto en zijn collega Daniel Green introduceerden het idee dat, hoewel kwantum- en klassieke fluctuaties zouden hebben geleid tot vergelijkbare verdelingen van sterrenstelsels, sommige specifieke patronen zouden verschillen in structuren van kwantumoorsprong. Door deze patronen te observeren, kunnen onderzoekers daarom de oorsprong van de kosmische structuur testen.

"Veel van het formalisme dat we gebruikten om de patronen van sterrenstelsels in de lucht te bestuderen, is vergelijkbaar met de manier waarop deeltjesfysici verstrooiingsprocessen bij botsers bestuderen, " legde Porto uit. "In de kosmologie hebben we het over 'correlaties, ' terwijl we in de deeltjesfysica praten over 'amplitudes, ' maar er is veel gemeen tussen de twee. Met behulp van enkele fysieke basisprincipes en symmetrieën, we hebben aangetoond dat klassieke mechanismen een groot aantal deeltjes zouden hebben geproduceerd en als resultaat een zeer specifieke handtekening in het patroon van sterrenstelsels, zoals 'hobbels' in gegevens van de collider."

Porto en Green toonden aan dat een kosmologische signatuur die lijkt op de aanwezigheid van 'hobbels' in gegevens van de botser erop kan wijzen dat de structuur van het universum is ontstaan ​​uit klassieke fluctuaties. Anderzijds, de afwezigheid van deze 'hobbels' zou suggereren dat kwantumfluctuaties in het nulpunt de belangrijkste factoren waren achter de vorming van kosmische structuur.

"Mensen hebben eerder geprobeerd een handtekening te vinden voor de kwantumoorsprong van structuur en ontdekten dat het effect wordt onderdrukt met 115 orden van grootte, dat is een 0.…. 115 keer... 1 effect, " voegde Porto eraan toe. "We hebben aangetoond dat, terwijl dit moeilijk waar te nemen is vanwege verontreiniging uit andere bronnen tijdens het proces van structuurvorming, als er al een oersignaal is, het effect van klassieke verstoringen is orde 1. Dit betekent dat we een verbetering van 115 ordes van grootte hebben bereikt ten opzichte van eerdere voorstellen."

In de afgelopen decennia, kosmologen die de oorsprong van de structuur van het universum onderzoeken, hebben voornamelijk gezocht naar de zogenaamde 'B-modus'-polarisatie in de kosmische microgolfachtergrond (CMB), omdat deze polarisatie een product zou kunnen zijn van primordiale kwantumzwaartekrachteffecten tijdens inflatie. In plaats van te zoeken naar de 'B-modus'-polarisatie als indicator voor kwantumzwaartekrachteffecten, Porto en Green draaiden het probleem om en ontdekten dat een ander patroon, bekend als de "gevouwen configuratie voor de correlatiefuncties, " draagt ​​het zaad van klassieke fluctuaties.

"Er is een lange geschiedenis van mensen die kwantummechanica testen in het laboratorium met behulp van iets dat Bell's ongelijkheden wordt genoemd, " Green vertelde Phys.org. "Het essentiële idee is dat, als je een kwantumsysteem hebt, er zijn bepaalde soorten metingen die je kunt doen die de ware kwantummechanische aard van de staat blootleggen. De uitdaging in de kosmologie is dat (1) het universum dat we waarnemen in wezen klassiek is en (2) we geen 'experimenten, ' omdat we de toestand van het universum niet kunnen manipuleren. De nieuwigheid van ons werk is dat we hebben laten zien dat je nog steeds kunt zien dat het uit een kwantummechanische staat in een ver verleden kwam, ondanks deze grote obstakels."

De recente studie van Porto en Green introduceert een nieuwe methode om de hypothese te testen dat de structuur van het universum een ​​kwantumkarakter heeft. Eigenlijk, de onderzoekers theoretiseren dat als men geen 'bult' kan waarnemen in de zogenaamde gevouwen configuratie van niet-Gaussiaanse correlatiefuncties, de structuur van het heelal zou zijn ontstaan ​​uit kwantumnul-fluctuaties, zoals in de klassieke natuurkunde, het vacuüm is leeg.

De lakmoesproef die in hun artikel wordt geïntroduceerd, verschilt sterk van eerder voorgestelde tests van de kwantummechanica en omzeilt dus veel van de problemen die met deze tests samenhangen. In hun toekomstige werk, Porto en Green zijn van plan te onderzoeken of hun test ook kan worden toegepast op laboratoriumexperimenten met kwantumsystemen.

"Dan en ik denken nu ook na over hoe kwantuminformatie-ideeën de aard van het oerzaad verder kunnen lokaliseren en in meer praktische termen ons ook kunnen helpen een sneller algoritme te bieden om de evolutie van het universum te simuleren, misschien zoals kwantumcomputers ooit zullen doen, ' zei Porto.

© 2020 Wetenschap X Netwerk