Εξέλιξη του σύμπαντος προσομοιωμένη σε εργαστήριο

Χρησιμοποιώντας την κίνηση των ηχητικών κυμάτων μέσω ενός υπερρευστού, οι επιστήμονες μπορούν να μοντελοποιήσουν την εξέλιξη του σύμπαντος σε μια λογική χρονική κλίμακα.

Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο εξελίχθηκε το σύμπαν στο σύνολό του είναι ίσως ένα από τα πιο σημαντικά και θεμελιώδη προβλήματα στη φυσική. Τα κύρια εμπόδια για την επίτευξη αυτού του στόχου είναι η δυσκολία αναπαραγωγής των ακραίων συνθηκών που συνέβησαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και η αδυναμία μας να προσομοιώσουμε τη χρονική κλίμακα αυτών των διαδικασιών – εκατομμύρια, μερικές φορές δισεκατομμύρια χρόνια.

Για να διευκολυνθεί η πειραματική μελέτη της κοσμολογικής εξέλιξης, πρέπει να βρούμε ένα φυσικό σύστημα του οποίου η θεωρητική περιγραφή να είναι πανομοιότυπη με αυτή του διαστελλόμενου Σύμπαντος μας, αλλά με μέγεθος και χρονική κλίμακα που είναι πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερη – και που μπορεί να αναπαραχθεί στο εργαστήριο .

Κύματα που κινούνται σε ένα ρευστό για να μοντελοποιήσουν ένα διαστελλόμενο σύμπαν

Ο πρώτος υπαινιγμός για ένα πιθανό μοντέλο ήρθε ήδη από το 1980, όταν ο William Unruh, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας, παρατήρησε ότι, μαθηματικά, η διάδοση των κυμάτων σε ένα κινούμενο ρευστό είναι παρόμοια με την κίνηση των σωματιδίων στο χώρο μας. ο χρόνος, ο οποίος, σύμφωνα με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, είναι εξ ορισμού καμπύλος λόγω της παρουσίας διαφορετικών πεδίων και κινούμενων, αλληλεπιδρώντων σωματιδίων.

Με βάση αυτή την ιδέα, μια ομάδα φυσικών από το Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης πρότεινε σε μια πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Φύση ότι η θεωρητική περιγραφή του διαστελλόμενου σύμπαντος και ο τρόπος με τον οποίο συμπεριφέρεται η ύλη σε αυτό είναι ισοδύναμη με την κίνηση των ηχητικών κυμάτων σε ένα υπερρευστό – μια φάση της ύλης που κανονικά υπάρχει σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες και στην οποία το ιξώδες είναι μηδέν. Η πρόταση βασίστηκε στην παρατήρηση ότι οι εξισώσεις που διέπουν αυτά τα δύο συστήματα είναι ακριβώς οι ίδιες.

Η περιγραφή της κοσμολογικής πλευράς αυτής της αντιστοιχίας έχει μια πολύ στέρεη βάση — βασίζεται στη γενική σχετικότητα και στο Καθιερωμένο μοντέλο των στοιχειωδών σωματιδίων, τα οποία έχουν επαληθευτεί πειραματικά. Ωστόσο, η θεωρία του υπερρευστού που προτείνεται από την ομάδα, αν και πολλά υποσχόμενη, είναι λιγότερο εδραιωμένη και ως εκ τούτου χρειάζεται να δοκιμαστεί.

Χρήση υπερρευστών

Για να γίνει αυτό, οι φυσικοί μελέτησαν τη διάδοση των ηχητικών κυμάτων σε ένα μέσο που αποτελείται από άτομα καλίου, τα οποία είναι γνωστό ότι γίνονται υπερρευστά σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες.

Για να δημιουργήσουν το κύμα, διεγείρουν τα άτομα καλίου με μια εστιασμένη δέσμη λέιζερ και στη συνέχεια μέτρησαν την ταχύτητα του ηχητικού κύματος που διαστέλλεται από το σημείο που φωτίζεται από το λέιζερ. Τα πειραματικά δεδομένα συμφωνούσαν καλά με τις προβλέψεις, βοηθώντας στην επιβεβαίωση της ιδέας ότι ένα υπερρευστό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μοντελοποίηση φυσικών φαινομένων στο διαστελλόμενο Σύμπαν.

Αυτή η ομοιότητα είναι πολύ ενδιαφέρουσα και σημαντική, αλλά για να εφαρμοστεί στην ανάλυση πραγματικών διεργασιών που συνέβησαν κατά τη διάρκεια της διαστολής του σύμπαντος, απαιτείται σημαντική βελτίωση αυτής της προσέγγισης. Η μαθηματική περιγραφή της κίνησης ενός υπερρευστού που αποτελείται από έναν μόνο τύπο ατόμου είναι ισοδύναμη με έναν μόνο τύπο στοιχειώδους σωματιδίου, ενώ στην πραγματικότητα υπάρχουν δεκάδες τύποι σωματιδίων.

Οι φυσικοί πιστεύουν ότι εάν χρησιμοποιηθεί ένα μείγμα διαφορετικών υπερρευστών ρευστών, τότε η μαθηματική περιγραφή του θα ταιριάζει καλύτερα στη θεωρία πολλών τύπων σωματιδίων που κινούνται σε καμπύλο φόντο. Το αν ισχύει αυτό, μόνο περαιτέρω έρευνα θα δείξει.

Παραπομπή: Celia Viermann et al., A quantum field simulator for dynamics in curved spacetime, Nature (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05313-9

Προτεινόμενη Πίστωση εικόνας: Casey Horner στο Unsplash

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *