宇宙學家認為，在最初的時刻，宇宙從亞原子大小膨脹到比葡萄柚還大。但測試關於這一時期的理論是很困難的，因為研究人員無法重現如此極端的條件。
現在，物理學家們在實驗室中模擬了這種宇宙膨脹，他們在一篇發表於上週《物理評論X》的論文中報告說，他們創造了一個由超冷原子構成的模型宇宙1。透過快速增大環形原子雲的尺寸，他們誘導該系統中出現一種行為，這種行為模擬了早期宇宙中光波在空間膨脹時如何被拉伸和衰減的。
到目前為止，該系統已經模擬了這些熟悉的現象。但英國諾丁漢大學的量子引力物理學家西爾克·韋因弗特納說，未來，它可以解決更棘手的問題，例如早期宇宙密度的變化如何導致星系和其他結構的形成。她沒有參與這項研究。“這是一個非常有用的平臺，也是一個令人興奮的實驗，”她說。
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該團隊主要來自美國國家標準與技術研究院（NIST），位於馬里蘭州蓋瑟斯堡，他們使用了一種被稱為玻色-愛因斯坦凝聚態的物質狀態。研究人員使用了數十萬個原子，當這些原子冷卻到絕對零度以上幾個十億分之一度時，它們的行為就像波一樣，其狀態重疊形成一個單一的量子系統。物理學家們以前曾使用類似的系統來模擬實驗室中的黑洞和來模擬高溫超導體。
過去的鏡子
NIST的原子物理學家、共同作者斯蒂芬·埃克爾說，在玻色-愛因斯坦凝聚態中傳播的聲波，遵循描述光在宇宙黎明時期如何穿過空曠空間的相同方程。研究人員使用雷射將原子捕獲在一個環中，並透過一系列反射鏡控制光束，從而操縱這些被固定住的粒子。為了模擬宇宙的膨脹，他們以聲速增加了環的半徑——韋因弗特納說，這“在實驗上具有挑戰性”。然後，研究人員將聲波引入系統，並拍攝了當環膨脹時它們如何演變的快照。
該團隊觀察到，隨著環的增大，聲波的波長也在增加。這種行為非常類似於一種被稱為紅移的現象，在這種現象中，空間的膨脹逐漸拉伸光，從而增加光的波長。他們還觀察到，在膨脹過程中，波的強度減弱，這反映了一種被稱為哈勃摩擦的效應，這種效應描述了早期宇宙中光波的振幅如何隨著它們將能量損失到膨脹的空間而下降。
最後，該團隊觀察到了一種更復雜效應的跡象，這種效應被稱為預熱。宇宙學家認為，預熱發生在暴脹的末期，當時最初快速膨脹所涉及的能量消散，產生了我們今天看到的一系列粒子。在超冷原子中，當膨脹停止時，波會在一系列漩渦中來回晃動，然後消散成圍繞環傳播的波。
NIST的物理學家、該研究的負責人格雷琴·坎貝爾說，這種能量的重新分配讓人想起預熱。但它發生的速度比他們最初預測的要快，而且發生的方式並沒有直接反映任何宇宙學理論，她說。“我們看到了一些看起來像我們正在尋找的東西，但實際上，它要複雜得多。”
未來，該團隊希望利用超冷原子更精確地測量哈勃摩擦，並研究再加熱形成的結構，以及尋找新的宇宙學現象。坎貝爾說，原子物理學家是否會教給宇宙學家任何新的東西，她還不清楚。“希望這種類比會變得更強，我們的系統可以成為一個很好的試驗平臺，”她說。“這些合作可以幫助我們雙方以新的方式看待事物。”
本文經許可轉載，並於2018年4月25日首次發表