Искривленное пространство-время — это концепция общей теории относительности, предложенная Альбертом Эйнштейном и описывающая, как гравитация влияет на форму Вселенной. Это предполагает, что присутствие материи или энергии во Вселенной заставляет ткань пространства-времени искривляться и искривляться.
Ученые создали симуляцию целого семейства вселенных с кривизной, используя ультрахолодные квантовые газы.
Теория относительности Эйнштейна утверждает, что пространство и время взаимосвязаны. В нашей Вселенной кривизна пространства-времени относительно мала и неизменна. Однако исследователи из Гейдельбергский университет успешно провели лабораторный эксперимент, в котором можно манипулировать структурой пространства-времени.
Исследователи использовали ультрахолодные квантовые газы для моделирования ряда искривленных вселенных для изучения различных космологических сценариев. Затем они сравнили эти симуляции с предсказаниями модели теории квантового поля. Результаты исследования опубликованы в журнале Природа.
Возникновение пространства и времени в космических масштабах времени из
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>Большойвзрыв[{“attribute=””>BigBang до настоящего времени является предметом текущих исследований, которые могут быть основаны только на наблюдении за нашей единственной Вселенной. Расширение и искривление пространства важны для космологических моделей. В плоском пространстве, таком как наша нынешняя Вселенная, кратчайшее расстояние между двумя точками всегда представляет собой прямую линию. «Возможно, однако, что наша Вселенная была искривлена на ранней стадии.
Поэтому изучение последствий искривления пространства-времени является актуальным вопросом в исследованиях», — говорит профессор Маркус Оберталер, научный сотрудник Института физики им. Кирхгофа Гейдельбергского университета. Со своей исследовательской группой «Синтетические квантовые системы» он разработал для этой цели симулятор квантового поля.
Симулятор квантового поля, созданный в лаборатории, состоит из облака атомов калия, охлажденных всего до нескольких нанокельвинов выше.
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>абсолютныйноль[{“attribute=””>absolutezero. При этом образуется конденсат Бозе-Эйнштейна — особое квантово-механическое состояние атомарного газа, которое достигается при очень низких температурах.
Профессор Оберталер поясняет, что конденсат Бозе-Эйнштейна является идеальным фоном, на котором становятся видны малейшие возбуждения, т. е. изменения энергетического состояния атомов. Форма атомного облака определяет размерность и свойства пространства-времени, по которому эти возбуждения распространяются подобно волнам. В нашей Вселенной есть три пространственных измерения, а также четвертое: время.
В эксперименте, проведенном гейдельбергскими физиками, атомы заключены в тонкий слой. Поэтому возбуждения могут распространяться только в двух пространственных направлениях — пространство двумерно. В то же время атомарное облако в оставшихся двух измерениях может иметь любую форму, благодаря чему также возможно реализовать искривленное пространство-время. Взаимодействие между атомами можно точно регулировать магнитным полем, изменяя скорость распространения волнообразных возбуждений на бозе-эйнштейновском конденсате.
«Для волн на конденсате скорость распространения зависит от плотности и взаимодействия атомов. Это дает нам возможность создать такие же условия, как в расширяющейся Вселенной», — объясняет профессор Штефан Флерхингер. Исследователь, ранее работавший в Гейдельбергском университете и присоединившийся к Йенскому университету в начале этого года, разработал модель теории квантового поля, используемую для количественного сравнения экспериментальных результатов.
С помощью симулятора квантового поля можно сделать измеримыми космические явления, такие как образование частиц, основанное на расширении пространства, и даже кривизну пространства-времени. «Космологические проблемы обычно имеют место в невообразимо больших масштабах. Возможность специально изучать их в лаборатории открывает совершенно новые возможности в исследованиях, позволяя нам экспериментально проверять новые теоретические модели», — говорит Селия Вирманн, главный автор исследования. Природа статья.
«Изучение взаимодействия искривленного пространства-времени и квантово-механических состояний в лаборатории займет у нас некоторое время», — говорит Маркус Оберталер, чья исследовательская группа также является частью кластера передового опыта STRUCTURES в Ruperto Carola.
Ссылка: «Симулятор квантового поля для динамики в искривленном пространстве-времени» Селии Вирманн, Мариуса Спарна, Николаса Либстера, Мауруса Ганса, Элинор Кэт, Альваро Парра-Лопес, Мирейи Толоса-Симеон, Натальи Санчес-Кунц, Тобиаса Хааса, Хельмута Штробеля, Стефана. Флерхингер и Маркус К. Оберталер, 9 ноября 2022 г., Природа.
DOI: 10.1038/s41586-022-05313-9
Работа проводилась в рамках Совместного исследовательского центра 1225 «Изолированные квантовые системы и универсальность в экстремальных условиях» (ISOQUANT) Гейдельбергского университета.
