Космічне моделювання: дослідники створюють викривлений простір-час у лабораторії

Теорія відносності Ейнштейна стверджує, що простір і час взаємопов’язані. У нашому Всесвіті кривина простору-часу відносно мала й незмінна. Проте дослідники з Гейдельберзького університету успішно створили лабораторний експеримент, у якому можна маніпулювати структурою простору-часу.

Дослідники використовували ультрахолодні квантові гази для моделювання ряду викривлених всесвітів для дослідження різних космологічних сценаріїв. Потім вони порівняли ці симуляції з прогнозами квантово-польової моделі. Результати дослідження були опубліковані в журналі Nature.

Виникнення простору й часу на космічних шкалах часу від Великого вибуху до сьогодення є предметом поточних досліджень, які можуть базуватися лише на спостереженнях нашого єдиного Всесвіту. Розширення та викривлення простору важливі для космологічних моделей. У плоскому просторі, як наш нинішній Всесвіт, найкоротшою відстанню між двома точками завжди є пряма лінія. «Однак цілком можливо, що наш Всесвіт був викривлений на своїй ранній стадії.

Таким чином, вивчення наслідків викривленого простору-часу є актуальним питанням у дослідницьких дослідженнях», – стверджує професор Маркус Оберталер, науковий співробітник Інституту фізики Кірхгофа Гейдельберзького університету. Разом зі своєю дослідницькою групою «Синтетичні квантові системи» він розробив для цієї мети симулятор квантового поля.

Симулятор квантового поля, створений у лабораторії, складається з хмари атомів калію, охолоджених лише до кількох нанокельвінів вище абсолютного нуля. У результаті утворюється конденсат Бозе-Ейнштейна – особливий квантово-механічний стан атомарного газу, який досягається при дуже низьких температурах.

Професор Оберталер пояснює, що конденсат Бозе-Ейнштейна є ідеальним фоном, на якому стають видимими найменші збудження, тобто зміни в енергетичному стані атомів. Форма атомної хмари визначає розмірність і властивості простору-часу, по якому ці збудження носяться, як хвилі. У нашому Всесвіті є три виміри простору, а також четвертий: час.

В експерименті, проведеному фізиками з Гейдельберга, атоми потрапили в пастку в тонкий шар. Таким чином, збудження можуть поширюватися лише у двох просторових напрямках – простір є двовимірним. Разом з тим, атомна хмара в інших двох вимірах може бути сформована майже будь-яким способом, за допомогою чого також можна реалізувати викривлений простір-час. Взаємодію між атомами можна точно регулювати за допомогою магнітного поля, змінюючи швидкість поширення хвилеподібних збуджень на конденсаті Бозе-Ейнштейна.

«Для хвиль на конденсаті швидкість поширення залежить від щільності та взаємодії атомів. Це дає нам можливість створити такі умови, як у всесвіті, що розширюється», — пояснює професор Стефан Флерхінгер. Дослідник, який раніше працював у Гейдельберзькому університеті та приєднався до Єнського університету на початку цього року, розробив квантово-польову теоретичну модель, яка використовується для кількісного порівняння експериментальних результатів.

Використовуючи симулятор квантового поля, космічні явища, такі як утворення частинок на основі розширення простору, і навіть кривина простору-часу можна зробити вимірними. «Космологічні проблеми зазвичай мають місце у неймовірно великих масштабах. Можливість спеціально вивчати їх у лабораторії відкриває абсолютно нові можливості в дослідженні, дозволяючи нам експериментально перевіряти нові теоретичні моделі», — заявляє Селія Вірманн, основний автор статті в Nature.

«Вивчення взаємодії викривленого простору-часу та квантово-механічних станів у лабораторії займе нас ще деякий час», — каже Маркус Оберталер, чия дослідницька група також є частиною Кластера досконалості STRUCTURES у Руперто Каролі.