Вчені Гейдельберзького університету (Німеччина) створили в лабораторії аналог раннього Всесвіту, використовуючи охолоджені до екстремальних температур атоми калію, що сформували екзотичний стан матерії – конденсат Бозе-Ейнштейна. Ця модель була використана для вивчення квантових флуктуацій, які могли б відіграти важливу роль під час інфляції – різкого розширення простору після Великого вибуху. Результати дослідження опубліковані в журналі Nature.
Відомо, що поширення хвиль у потоці як звичайної рідини, так і рідини, властивості якої залежать від макроскопічних квантових ефектів, може служити близьким аналогом поведінки квантового поля в просторі-часі. Наприклад, вчені проводили експерименти з рідкими потоками, швидкість яких переходила від дозвукових до надзвукових значень для імітування горизонту подій чорної діри. У новій роботі вчені показали, що для імітації квантових ефектів у Всесвіті, що розширюється, можна використовувати нерухому надтекучу рідину.
У ході експерименту було створено плоский конденсат Бозе-Ейнштейна з 23 тисяч атомів калію-39 усередині магнітної пастки. Бозе-конденсат – це стан матерії, що виникає, коли частинки або атоми, що належать до бозонів, охолоджують майже до абсолютного нуля, в даному випадку до кількох десятків нанокельвінів. Бозони здатні перебувати в тому самому основному квантовому стані (грубо кажучи, їх принципово не можна відрізнити одну від іншої) і поводяться подібно до однієї «розмитої» частинки, що створює квантові ефекти, видимі неозброєним оком. Одним з таких ефектів є надплинність – здатність рідини обтікати вузькі бар’єри без тертя.
У Бозе-конденсаті роль квантових полів відігравали фонони — квазичастинки, що є неподільною порцією енергії або квантом узгодженого коливального руху атомів. Вчені регулювали щільність конденсату таким чином, щоб фонони поширювалися в ньому відповідно до певної геометрії простору-часу, званої метрикою Фрідмана-Леметра-Робертсона-Уокера (FLRW) або Всесвіту Фрідмана. Це космологічна модель, заснована на загальній теорії відносності Ейнштейна, описує нестаціонарний Всесвіт, який може стискатися або розширюватися.
Відомо, що під час інфляційної фази Всесвіт зазнав надзвичайно швидкого експоненційного розширення, що призвело до народження пар частинок. У Бозе-рідини, що імітує інфляцію, вчені спостерігали посилені флуктуації щільності конденсату, які пояснюються появою нових фононів, що відповідає квантовій теорії поля. За словами авторів роботи, їхня експериментальна система дозволяє досліджувати фундаментальні проблеми квантової фізики, такі як заплутаність у викривленому просторі-часі, космологічні горизонти подій, термодинаміка та загальна теорія відносності.
