Forskare som lekte med ett moln av ultrakalla atomer upptäckte beteende som har en slående likhet med universum i mikrokosmos. Deras arbete, som knyter nya förbindelser mellan atomfysik och det tidiga universums plötsliga expansion, publicerades 19 april Fysisk granskning X och presenteras i Fysik .

"Ur ett atomfysiskt perspektiv, experimentet beskrivs vackert av befintlig teori, säger Stephen Eckel, en atomfysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och huvudförfattaren till den nya artikeln. "Men ännu mer slående är hur den teorin ansluter till kosmologi."

I flera uppsättningar av experiment, Eckel och hans kollegor expanderade snabbt storleken på ett munkformat moln av atomer, ta ögonblicksbilder under processen. Tillväxten sker så snabbt att molnet blir kvar och brummar, och ett besläktat hum kan ha dykt upp på kosmiska skalor under det snabba expansionen av det tidiga universum - en epok som kosmologer kallar inflationstiden.

Arbetet samlade experter inom atomfysik och gravitation, och författarna säger att det är ett bevis på mångsidigheten hos Bose-Einstein-kondensatet (BEC)-ett ultrakallt moln av atomer som kan beskrivas som ett enda kvanteobjekt-som en plattform för att testa idéer från andra fysikområden.

"Kanske kommer detta en dag att informera framtida modeller för kosmologi, "Säger Eckel." Eller tvärtom. Kanske kommer det att finnas en modell av kosmologi som är svår att lösa men som du kan simulera med hjälp av en kall atomgas. "

Det är inte första gången som forskare har kopplat ihop BEC och kosmologi. Tidigare studier efterliknade svarta hål och sökte efter analoger av strålningen som förutspås att rinna ut från deras skuggiga gränser. De nya experimenten fokuserar istället på BEC:s svar på en snabb expansion, en process som antyder flera analogier till vad som kan ha hänt under inflationsperioden.

Den första och mest direkta analogin handlar om hur vågor reser genom ett expanderande medium. En sådan situation uppstår inte ofta inom fysiken, men det hände under inflationen i stor skala. Under den expansionen, rymden själv sträckte ut alla vågor till mycket större storlekar och stal energi från dem genom en process som kallas Hubble-friktion.

I en uppsättning experiment, forskare upptäckte analoga funktioner i deras atommoln. De präglade en ljudvåg på deras moln - omväxlande regioner med fler atomer och färre atomer runt ringen, som en våg i det tidiga universum – och såg den skingras under expansion. Inte överraskande, ljudvågen sträckte ut sig, men dess amplitud minskade också. Matematiken avslöjade att den här dämpningen såg ut precis som Hubble-friktion, och beteendet fångades väl genom beräkningar och numeriska simuleringar.

"Det är som att vi slår BEC med en hammare, säger Gretchen Campbell, NIST-meddirektör för Joint Quantum Institute (JQI) och en medförfattare till tidningen, "och det är lite chockerande för mig att dessa simuleringar så fint replikerar vad som händer."

I en andra uppsättning experiment, laget avslöjade en annan, mer spekulativ analogi. För dessa tester lämnade de BEC fritt från ljudvågor men framkallade samma expansion, titta på BEC slush fram och tillbaka tills det slappnade av.

På ett sätt, att avslappningen också liknade inflation. En del av energin som drev universums expansion slutade i slutändan med att skapa all materia och ljus omkring oss. Och även om det finns många teorier om hur detta hände, kosmologer är inte riktigt säkra på hur den överblivna energin konverterades till allt vi ser idag.

I BEC, energin i expansionen överfördes snabbt till saker som ljudvågor som reser runt ringen. Några tidiga gissningar på varför detta hände såg lovande ut, men de missade att förutsäga energiöverföringen exakt. Så laget vände sig till numeriska simuleringar som kunde fånga en mer fullständig bild av fysiken.

Det som framkom var en komplicerad redogörelse för energiomvandlingen:Efter att expansionen avbröts, atomer vid ytterkanten av ringen träffade deras nya, utvidgade gränsen och reflekterades tillbaka mot mitten av molnet. Där, de störde atomer som fortfarande färdades utåt, skapa en zon i mitten där nästan inga atomer kunde leva. Atomer på vardera sidan av detta ogästvänliga område hade inte överensstämmande kvantegenskaper, som två närliggande klockor som inte är synkroniserade.

Situationen var mycket instabil och kollapsade så småningom, vilket leder till att virvlar skapas i molnet. Dessa virvlar, eller små kvantvirvlar, skulle bryta isär och generera ljudvågor som rann runt ringen, som partiklar och strålning kvar efter inflationen. Vissa virvlar rymde till och med från kanten av BEC, skapa en obalans som fick molnet att rotera.

Till skillnad från analogin med Hubble -friktion, den komplicerade berättelsen om hur sloshing atomer kan skapa dussintals kvantvirvelbad kanske inte liknar det som pågår under och efter inflationen. Men Ted Jacobson, en medförfattare till den nya artikeln och en fysikprofessor vid University of Maryland som specialiserat sig på svarta hål, säger att hans interaktion med atomfysiker gav fördelar utanför dessa tekniska resultat.

"Vad jag lärde mig av dem, och från att tänka så mycket på ett sådant experiment, är nya sätt att tänka på kosmologiproblemet, ”Säger Jacobson.” Och de lärde sig att tänka på aspekter av BEC som de aldrig skulle ha tänkt på tidigare. Om de är användbara eller viktiga återstår att se, men det var verkligen stimulerande. "

Eckel ekar samma tanke. "Ted fick mig att tänka på processerna i BEC på olika sätt, " han säger, "och när som helst du närmar dig ett problem och du kan se det från ett annat perspektiv, det ger dig en bättre chans att faktiskt lösa det problemet. "

Framtida experiment kan studera den komplicerade överföringen av energi under expansion närmare, eller till och med söka efter ytterligare kosmologiska analogier. "Det fina är att från dessa resultat, vi vet nu hur vi ska utforma experiment i framtiden för att rikta in oss på de olika effekterna som vi hoppas kunna se, "Säger Campbell." Och när teoretiker kommer med modeller, det ger oss en testbädd där vi faktiskt kunde studera dessa modeller och se vad som händer. "