Många kosmologer tror att universums struktur är ett resultat av kvantfluktuationer som inträffade under tidig expansion. Bekräftar denna hypotes, dock, har visat sig mycket utmanande hittills, eftersom det är svårt att urskilja mellan kvant- och klassiska urfluktuationer när man analyserar befintliga kosmologiska data.

Två forskare vid University of California och Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY i Tyskland har nyligen utarbetat ett test baserat på uppfattningen om ur-icke-Gaussianitet som kan hjälpa till att fastställa ursprunget till den kosmiska strukturen. I deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , de hävdar att upptäckten av ur-icke-Gaussanity kan hjälpa till att avgöra om universums mönster härstammar från kvant- eller klassiska fluktuationer.

"En av de vackraste idéerna inom hela vetenskapen är att den struktur vi observerade i kosmos berodde på kvantfluktuationer i det mycket tidiga universum som sedan sträcktes av en snabb acceleration, "Rafael Porto, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Detta" inflationära "paradigm gör många förutsägelser som har bekräftats av data, men det ursprungliga fröets kvantitet är extremt svårt att direkt påvisa. "

Den främsta anledningen till att det är så svårt att demonstrera kvantursprunget i universums struktur är att inflationen också kunde ha sträckt klassiska störningar, vilket resulterar i en mycket liknande galaxfördelning. I deras papper, Porto och hans kollega Daniel Green introducerade tanken att även om kvant- och klassiska fluktuationer skulle ha resulterat i liknande galaxfördelningar, vissa specifika mönster skulle skilja sig åt i strukturer av kvant ursprung. Att observera dessa mönster kan därför göra det möjligt för forskare att testa ursprunget till den kosmiska strukturen.

"Mycket av den formalism vi använde för att studera galaxmönstren på himlen liknar hur partikelfysiker studerar spridningsprocesser vid kolliderare, "Porto förklarade." I kosmologi talar vi om 'korrelationer, 'medan vi i partikelfysik talar om' amplituder, 'men det är mycket gemensamt mellan de två. Med hjälp av några grundläggande fysiska principer och symmetrier, vi visade att klassiska mekanismer skulle ha producerat ett stort antal partiklar och som ett resultat av en mycket specifik signatur i galaxmönstret, till exempel "stötar" i kollideringsdata. "

Porto och Green visade att en kosmologisk signatur som liknar förekomsten av "gupp" i kollideringsdata kan indikera att universums struktur härrörde från klassiska fluktuationer. Å andra sidan, frånvaron av dessa "stötar" skulle föreslå att nollpunkts kvantfluktuationer var de viktigaste medlen bakom bildandet av kosmisk struktur.

"Människor har försökt hitta en signatur för strukturens kvantursprung tidigare och funnit att effekten undertrycks av 115 storleksordningar, det är en 0.…. 115 gånger ... 1 effekt, "Porto tillagt." Vi har visat det, medan detta är svårt att observera på grund av förorening från andra källor under processen med strukturbildning, om det finns en ursignal alls, effekten av klassiska störningar är ordning 1. Detta innebär att vi har uppnått en förbättring med 115 storleksordningar jämfört med tidigare förslag. "

Under de senaste decennierna har kosmologer som undersöker ursprunget till universums struktur har främst letat efter den så kallade 'B-läget' polarisationen i den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), eftersom denna polarisering kan vara en produkt av primära kvantgravitationseffekter under inflationen. Snarare än att leta efter polarisationen "B -läge" som en indikator på kvantgravitationseffekter, Porto och Green vände problemet och fann att ett annat mönster, känd som den "vikta konfigurationen för korrelationsfunktionerna, "bär fröet av klassiska fluktuationer.

"Det finns en lång historia av människor som testar kvantmekanik i labbet med hjälp av något som kallas Bells ojämlikheter, "Green berättade för Phys.org." Den väsentliga tanken är att, om du har ett kvantsystem, det finns vissa typer av mätningar du kan göra som kommer att avslöja statens sanna kvantmekaniska natur. Utmaningen i kosmologin är att (1) universum vi observerar är i princip klassiskt och (2) vi kan inte utföra experiment, 'eftersom vi inte får manipulera universums tillstånd. Nyheten i vårt arbete är att vi visade att du fortfarande kan se att det kom från ett kvantmekaniskt tillstånd i ett avlägset förflutet, trots dessa stora hinder. "

Porto och Greens senaste studie introducerar en ny metod för att testa hypotesen att universums struktur är av kvantkaraktär. Väsentligen, forskarna teoretiserar att om man inte kan observera en "bump" i den så kallade vikta konfigurationen av icke-gaussiska korrelationsfunktioner, universums struktur skulle ha sitt ursprung i kvantnollfluktuationer, som i klassisk fysik, vakuumet är tomt.

Lakmusprovet som introducerades i deras papper skiljer sig mycket från tidigare föreslagna tester av kvantmekanik och kringgår därmed många av de frågor som är förknippade med dessa tester. I deras framtida arbete, Porto och Green planerar att undersöka om deras test också kan tillämpas på laboratoriebaserade experiment på kvantsystem.

"Dan och jag tänker nu också på hur kvantinformationsidéer ytterligare kan identifiera det ursprungliga fröets natur och i mer praktiska termer också hjälpa oss att tillhandahålla en snabbare algoritm för att simulera universums utveckling, kanske som kvantdatorer kommer att göra en dag, "Sa Porto.

© 2020 Science X Network