El universo en el laboratorio: prueba de cosmología alternativa utilizando una nube de átomos

En el sótano del Instituto Kirchhoff de Física de Alemania, los investigadores simulan el universo tal como podría haber existido poco después del Big Bang. Crearon una simulación de campo cuántico de mesa que implica el uso de imanes y láseres para controlar una muestra de átomos de potasio 39 que se mantienen cerca del cero absoluto. Luego utilizan ecuaciones para traducir los resultados a esta pequeña escala para explorar posibles características del universo primitivo.

El trabajo realizado hasta ahora demuestra que es posible simular un universo con una curvatura diferente. En un universo con curva positiva, si viajas en cualquier dirección en línea recta, regresarás al punto de partida. En un universo con curvatura negativa, el espacio tiene forma de silla de montar. Actualmente, el universo es plano o casi plano, según Marius Sparn, estudiante de doctorado en el Instituto Kirchhoff de Física. Pero al comienzo de su existencia, puede haber tenido una curvatura más positiva o negativa.

alrededor de la curva

«Si tuvieras una esfera realmente enorme, como la Tierra o algo así, y solo vieras una pequeña parte de ella, no sabrías: ¿está cerrada o infinitamente abierta?» dijo Sabine Hosenfelder, miembro del Centro de Filosofía Matemática de Múnich. «Se ha convertido en una cuestión realmente filosófica. Las únicas cosas que sabemos provienen de la parte del universo que observamos. Por lo general, la forma en que la gente lo expresa es que, hasta donde sabemos, la curvatura en esta parte del universo es consistente con cero.»

Sparn fue uno de los autores del artículo, “Simulación de campo cuántico de la dinámica en el espacio-tiempo curvo.«, que se publicó en la revista Nature en noviembre de 2022. El equipo, en colaboración con científicos de Bélgica, España y Alemania, estudió tres escenarios posibles para la expansión temprana del universo: estable, acelerando y desacelerando.

El experimento de mesa implicó colocar potasio-39 en una celda de vidrio entre una serie de grandes bobinas magnéticas encima y debajo de ella, dijo Sparn. Estas bobinas magnéticas, junto con algunos dispositivos láser, se utilizaron para controlar el comportamiento de la muestra. Los átomos quedaron atrapados en una fina capa que podría considerarse bidimensional, según A presione soltar De la Universidad de Heidelberg.

Cuando se enfría a una temperatura de 40 a 60 nanokelvins, el potasio-39 entra en un estado mecánico cuántico conocido como condensado de Bose-Einstein, dijo Sparn. Los condensados ​​de Bose-Einstein actúan como una única partícula masiva, según Ramon Zmuk, director de producción de Quantum Machines.

«Nuestro condensado de Bose-Einstein es un objeto completamente gobernado por la mecánica cuántica porque trabajamos a temperaturas muy bajas», dijo Sparn. “El equipo busca entonces pequeñas perturbaciones [the] Condensadores. Así que podemos considerarlo como pequeñas ondas de fluctuaciones de densidad. Estos se rigen por la mecánica cuántica.

«Obviamente, una ronda de nuestro experimento termina con una fotografía», dijo Sparn. «Así que iluminamos una luz que resuena con la transición atómica del potasio-39 y tomamos imágenes de absorción de la nube. En el proceso, normalmente destruimos nuestros condensados. Vemos menos luz en los lugares donde están los átomos. Podemos extraer la densidad de los átomos a partir de eso Entonces, el resultado final Siempre tenemos una imagen de la distribución de densidad de nuestros átomos, y desde allí podemos realizar análisis estadísticos para obtener más información sobre los resultados.

Universos alternativos

Los científicos han vinculado las ecuaciones del universo y las ecuaciones del condensado de Bose-Einstein para sacar conclusiones sobre cómo se comportó el universo primitivo.

El equipo simuló una curvatura positiva aumentando la densidad del potasio-39 que se dirige hacia afuera desde el centro de la configuración experimental, dijo Sparn. Simularon la curvatura negativa reduciéndola.

«Hemos demostrado que es posible simular espacio-tiempo curvo y en expansión espacial en condensados ​​de Bose-Einstein», dijo Sparn. «Esto es lo que se necesita para un universo homogéneo e isotrópico, lo que debería ser una suposición justa a gran escala».

En los últimos años, los científicos han utilizado sistemas atómicos cuánticos para encontrar paralelos con sistemas complejos en el universo, dijo Zmock. Esto vincula la física atómica y la astrofísica.

Naturaleza, 2023. DOI: 10.1038/s41586-022-05313-9

Kat federico Es un ex ingeniero mecánico que comenzó a especializarse en matemáticas aplicadas, ingeniería y física en la Universidad de Wisconsin-Madison. Obtuvo una licenciatura con especialización en periodismo científico y ambiental y ha editado siete publicaciones de noticias, dos de las cuales fue cofundadora. Es editora en jefe de la revista de energía Solar Today.