Атомы могут напеть нам мелодию великой космической симфонии

19 апреля 2018



Исследователи, занимающиеся с облаком ультрахолодных атомов, обнаружили у них поведение, которое имеет поразительное сходство с поведением Вселенной в микромире. Их работа, которая создает новые связи между атомной физикой и внезапным расширением ранней Вселенной, будет опубликована в «Physical Review X» и освещена Physics.

Расширяющееся кольцеобразное облако атомов имеет несколько поразительно похожих на свойства ранней Вселенной черт.

«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 статьи. «Но еще более поразительно то, как эта теория связана с космологией». В нескольких сериях экспериментов Эккель и его коллеги быстро расширяли размер облака атомов, имеющих форму пончика, делая снимки во время процесса. Рост происходит так быстро, что облако начинает гудеть, и похожий на этот шум мог появиться в космических масштабах во время быстрого расширения ранней Вселенной — эпохи, которую космологи называют периодом ускоренного экспоненциального расширения.

В команде ученых, исследующих данный феномен, собрались эксперты по атомной физике и гравитации, и все они говорят, что это свидетельство универсальности бозе-эйнштейновского конденсата (БЭК) — ультрахолодного облака атомов, который можно охарактеризовать как один квантовый объект — как платформу для тестирования идей из других областей физики. «Возможно, когда-нибудь это поможет создать будущие модели космологии. Или, может быть, будет модель космологии, которую трудно понять, но которую можно будет имитировать использованием холодного атомного газа», — говорит Эккель.

Исследователи не в первый раз связывают БЭК и космологию. Предыдущие исследования подражали черным дырам и искали аналоги ожидаемого излучения от их теневых границ. В новых экспериментах основное внимание уделяется реакции БЭК на быстрое расширение, что предполагает некоторую аналогию с тем, что могло произойти в период расширения. Первая и самая явная аналогия прослеживается с тем, как волны проходят через расширяющуюся среду. Такая ситуация не часто возникает в физике, но это произошло во время широкомасштабного расширения. Во время этого расширения пространство само по себе растягивало любые волны до гораздо больших размеров и крало у них энергию через процесс, известный как трение Хаббла.

В одной из серий экспериментов исследователи обнаружили аналогичные черты в их облаке атомов. Они фиксировали звуковую волну на их облаке — чередующиеся области с большим и меньшим количеством атомов вокруг кольца, как волны в ранней Вселенной, — и наблюдали их распространение во время расширения. Неудивительно, что звуковая волна растянулась, а ее амплитуда уменьшилась. Математики доказали, что данное снижение амплитуд было похоже на трение Хаббла, и поведение волн легко поддавалось расчетам и числовому моделированию. «Это похоже на то, что мы ударяем по БЭК молотком. И меня шокирует, что эта симуляция так хорошо воспроизводит то, что происходит», — говорит Гретхен Кэмпбелл, содиректор Объединенного института квантовых явлений (JQI) и соавтор статьи.

Во второй серии экспериментов команда обнаружила еще одну, более любопытную аналогию. Для этих тестов они лишили БЭК звуковых волн и спровоцировали расширение, наблюдая за тем, как БЭК откидывается назад и вперед, пока не расслабился. В каком-то смысле такое расслабление также похоже на расширение. Некая энергия, которая привела к расширению Вселенной, привела в конечном итоге к тому, что был создан весь наш 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 трансформировалась в звуковые волны, движущиеся вокруг кольца. Некоторые ранние догадки о том, почему это происходит, выглядели многообещающими, но они не смогли точно предсказать передачу энергии. Нужно использовать новые подходы и новое контрольно-измерительное оборудование. Поэтому команда обратилась к численным симуляциям, которые могли бы показать более полную физическую картину.

То, что появилось, было сложно объяснить преобразованием энергии: после прекращения расширения атомы на внешнем краю кольца достигли новой, расширенной границы и отражались обратно в центр облака. Там они сталкивались с атомами, все еще движущимися наружу, создавая в середине зону, где практически не мог находиться ни один из атомов. Атомы по обе стороны этой негостеприимной области имели несогласованные квантовые свойства, подобно двум смежным часам, которые не синхронизированы.

Ситуация была чрезвычайно нестабильной и, в конечном итоге, произошел коллапс, что привело к созданию завихрений по всему облаку. Эти вихри или небольшие квантовые водовороты разрывались и генерировали звуковые волны, которые вращались вокруг кольца, как частицы и радиация, оставшиеся после расширения. Некоторые вихри даже ускользали от края БЭК, создавая дисбаланс, который привел к вращению облака. В отличие от аналогии с трением Хаббла, сложная история о том, как размалывающие атомы могут создавать десятки квантовых водоворотов, не может иметь никакого сходства с тем, что происходит во время и после расширения. Но профессор физики Университете штата Мэриленд, специализирующийся на черных дырах Тед Джейкобсон, являющийся соавтором новой статьи, говорит, что его взаимодействие с физиками-атомщиками принесло огромную пользу даже вне этих технических результатов. «Что я получил от них и от моих размышлений об этом эксперименте, так это новый подход к изучению проблем космологии », - говорит Джейкобсон. «И они научили нас думать о тех аспектах БЭК, о которых мы никогда бы не подумали сами. Насколько полезны или важны эти знания, еще предстоит увидеть, но это, безусловно, прорыв».

Экель повторяет ту же мысль: «Тед заставил меня думать о процессах в БЭК по-другому, ведь всякий раз, когда вы приближаетесь к проблеме, вы можете увидеть ее с другой точки зрения, и это дает вам больше шансов на решение этой проблемы». Будущие эксперименты могут помочь более тщательно изучить сложную передачу энергии при расширении или найти другие аналогии с космосом. «Самое приятное, что мы теперь знаем, как проектировать эксперименты в будущем, чтобы достичь различных эффектов, которые мы надеемся увидеть», — говорит Кэмпбелл. «И поскольку теоретики придумывают модели, это дает нам тестовый стенд, где мы могли бы действительно качественно изучить эти модели и посмотреть, что произойдет».