Атомы могут напевать мелодию из великой космической симфонии

Исследователи, экспериментирующие с облаком ультрахолодных атомов, обнаружили поведение, которое имеет поразительное сходство со Вселенной в микромире. Их работа, которая создает новые связи между атомной физикой и внезапным расширением ранней Вселенной, была опубликована 19 апреля в «Physical Review X».

«С точки зрения атомной физики эксперимент прекрасно описывается существующей теорией, — говорит Стивен Эккель, физик-атомщик из Национального института стандартов и технологий (NIST) и ведущий автор новой статьи. «Но еще более поразительно то, как эта теория связана с космологией».

В нескольких сериях экспериментов Эккель и его коллеги быстро расширили размер облака атомов в форме пончика, делая снимки во время процесса. Рост происходит так быстро, что облако издавало шум, и такой шум мог появиться в космических масштабах во время быстрого расширения ранней Вселенной — эпохи, которую космологи называют периодом инфляции.

В работе приняли участие эксперты по атомной физике и гравитации, и авторы говорят, что это свидетельствует о универсальности конденсата Бозе-Эйнштейна (БЭК) — ультрахолодного облака атомов, который можно охарактеризовать как единый квантовый объект — платформу для тестирования идей из других областей физики.

«Возможно, это когда-нибудь повлияет будущие модели космологии, — говорит Эккель.

Исследователи не в первый раз связывают БЭК и космологию. Предыдущие исследования подражали черным дырам и искали аналоги ожидаемого излучения, исходя из их теневых границ. В новых экспериментах основное внимание уделяется реакции БЭК на быстрое расширение, что предполагает несколько аналогий с тем, что могло произойти в период инфляции.

Первая и самая прямая аналогия связана с тем, как волны проходят через расширяющуюся среду. Такая ситуация не возникает часто, но это произошло во время инфляции в широких масштабах. Во время этого расширения пространство само по себе растягивало любые волны до гораздо больших размеров и забирало у них энергию через процесс, известный как трение Хаббла.

В одном из экспериментов исследователи обнаружили аналогичные черты в их облаке атомов. Они запечатлели звуковую волну в их облаке, где были  чередующиеся области с большим количеством атомов и с меньшим, — и наблюдали, как волна рассеивается во время расширения.

Неудивительно, что звуковая волна растянулась, но ее амплитуда также уменьшилась. Математика показала, что это демпфирование было похоже на трение Хаббла, и поведение было хорошо воспринято расчетами и численным моделированием.

Во втором наборе экспериментов команда обнаружила еще одну, более интересную аналогию. Для этих тестов они оставили БЭК без каких-либо звуковых волн, но спровоцировали такое же расширение, наблюдая за тем, как БЭК откидывается назад и вперед, пока он не расширился.

В каком-то смысле такое расширение также напоминало инфляцию. Некоторая энергия, которая привела к расширению Вселенной, в конечном итоге закончила тем, что создала весь мир и свет вокруг нас. И хотя существует много теорий о том, как это произошло, космологи не совсем точно знают, как эта оставшаяся энергия превратилась во все, что мы видим сегодня.

В БЭК энергия расширения быстро переносилась на такие вещи, как звуковые волны, движущиеся вокруг кольца. Некоторые ранние догадки о том, почему это происходит, выглядели многообещающими, но они не смогли точно предсказать передачу энергии. Поэтому команда обратилась к численным симуляциям, которые могли бы захватить более полную картину физики.

То, что появилось, было сложным объяснением преобразования энергии: после прекращения расширения атомы на внешнем краю кольца достигли новой, расширенной границы и отразились обратно в центр облака. Там они смешивались с атомами, все еще перемещавшимися наружу, создавая особую зону в середине, где почти не могло быть атомов. Атомы по обе стороны этой негостеприимной области имели несоответствующие квантовые свойства, как два соседних синхронизирующих сигнала, которые не синхронизированы.

Ситуация была крайне нестабильной и в итоге рухнула, что привело к созданию вихрей по всему облаку атомов. Эти вихри или небольшие квантовые водовороты разрываются и генерируют звуковые волны, которые вращаются вокруг кольца, как частицы и радиация, оставшиеся после инфляции. Некоторые вихри даже ускользали от края БЭК, создавая дисбаланс, который оставил облако вращающимся.

В отличие от аналогии с трением Хаббла, сложная история о том, как вращение атомов может создавать десятки квантовых водоворотов, не может не иметь никакого отношения к тому, что происходит во время и после инфляции. Но Тед Джейкобсон, соавтор новой статьи и профессор физики в Университете штата Мэриленд, специализирующийся на черных дырах, говорит, что его взаимодействие с атомными физиками дало преимущества вне этих технических результатов.

«То, что я узнал от них, — это новые способы думать о проблеме космологии», — говорит Джекобсон. «И они научились думать об аспектах БЭК, о которых они никогда бы не подумали раньше. Полезны ли они или важны, но это, безусловно, стимулирует».

Экель повторяет ту же мысль. «Тед заставил меня думать о процессах в БЭК по-разному, — говорит он, — и всякий раз, когда вы подходите к проблеме, вы можете видеть ее с другой точки зрения, это дает вам больше шансов на решение этой проблемы».

Будущие эксперименты могут более тщательно изучить сложную передачу энергии при расширении или даже искать дальнейшие космологические аналоги. «Самое приятное, что из этих результатов мы теперь знаем, как проектировать эксперименты в будущем, чтобы нацелиться на различные эффекты, которые мы надеемся увидеть», — говорит Кэмпбелл. «И когда теоретики придумают модели, это дает нам тестовую площадку, где мы могли бы изучить эти модели и посмотреть, что произойдет».

Больше информации: A Rapidly Expanding Bose-Einstein Condensate: An Expanding Universe in the Lab. Phys. Rev. X. DOI: 10.1103/PhysRevX.8.021021