Физики смоделировали расширение Вселенной с помощью бозе-конденсата

Физики из университета Мэриленда смоделировали инфляционное расширение Вселенной с помощью бозе-конденсата атомов натрия-23, охлажденных до температуры около 50 нанокельвинов и пойманных в лазерную оптическую ловушку. В такой системе ученым удалось увидеть не только красное смещение длины волны фононов, но и влияние хаббловского трения, а также последовавшее за инфляцией рождение частиц и разогревание. Статья опубликована в Physical Review X, кратко о ней сообщает Physics.

По современным представлениям, наша Вселенная в самом начале существования пережила короткий, но очень важный период инфляции. За это время, продлившееся около 10⁻³² секунд, пространственные размеры Вселенной и квантовых флуктуаций в ней увеличились не менее чем в 10²⁶ раз, что привело к наблюдаемой сейчас крупномасштабной изотропности и однородности Вселенной, а также сделало наше пространство-время практически плоским. С другой стороны, эти флуктуации не исчезли полностью, что позволило сформироваться в будущем более мелким структурам, таким как звезды и галактики. После завершения инфляции распад инфлатонного поля заполнил Вселенную частицами Стандартной модели и разогрел ее до огромных температур (этот процесс так и называют — «разогревание», reheating).

Вселенная продолжила расширяться и после Большого взрыва, хотя темп этого расширения снизился. Кроме того, в настоящее время расширение проявляется только на масштабах скоплений галактик и выше, поскольку на меньших масштабах объекты связаны между собой гравитацией. Поэтому единственным надежным свидетельством в пользу расширения Вселенной является космологическое красное смещение, которое приводит к увеличению длины волны, то есть уменьшению энергии света, приходящего от далеких объектов. Чем дальше находится объект, тем дольше до нас шел его свет, и тем больше его красное смещение. Так, момент Большого взрыва теоретически должен иметь красное смещение z = ∞.

Группа физиков из университета Мэриленда под руководством Гретхен Кемпбелл (Gretchen Campbell) экспериментально смоделировала расширение Вселенной с помощью конденсата Бозе-Эйнштейна и увидела в нем процессы, напоминающие космологическую инфляцию. Для этого ученые охладили несколько сотен тысяч атомов натрия-23 до температуры около 50 нанокельвинов, а затем сформировали из них плоское одномерное кольцо с помощью лазерной оптической ловушки. Подобно тому, как пустая Вселенная заполнена вакуумом для различных частиц, например, фотонов, конденсат Бозе-Эйнштейна при нулевой температуре служит вакуумом для квазичастиц-фононов; аналогом скорости света в данном случае выступает скорость звука. Поэтому исследователи «растягивали» кольцо в течение короткого промежутка времени (порядка двадцати миллисекунд) со скоростью в 1,3 раза больше скорости звука, чтобы смоделировать инфляционное расширение. Кроме того, физики численно смоделировали динамику системы, использую уравнение Гросса-Питаевского, и убедились, что эксперимент совпадает с теорией.

Оказалось, что фононы в такой системе испытывают красное смещение, напоминающее космологическое красное смещение фотонов — длина волны квазичастиц уменьшается ровно во столько же раз, во сколько увеличивается радиус кольца. Более того, ученые заметили, что число фононов со слишком большой длиной волны сильно уменьшается после расширения — это напоминает «хаббловское трение» (Hubble friction) из космологии, которое подавляет поля с частотой менее ω ≲ ȧ/a, где a — это масштабный фактор. Тем не менее, авторы отмечают, что помимо «хаббловского трения» в бозе-конденсате за затухание отвечают и другие факторы, такие как ненулевая толщина кольца и отсутствие азимутальной симметрии (то есть симметрии относительно поворота кольца на произвольный угол).

Кроме того, когда расширение бозе-конденсата прекращается, радиальная мода колебаний исчезает, и ее энергия рождает так называемые «темные солитоны». Такие квазичастицы нестабильны и быстро распадаются на «вихревые диполи», то есть пары близко расположенных вихрей и антивихрей. Часть диполей рекомбинирует, рождает множество низкоэнергетических фононов и разогревает конденсат, а другие диполи разделяются и создают в кольце постоянный ток, который изменяет его топологическое число (winding number). К сожалению, напрямую наблюдать рождение солитонов ученым не удалось, однако последствия разогревания они ухватили с помощью структурных факторов, которые характеризуют меру пространственной упорядоченности фононов с заданной длиной волны. Исследователи подчеркивают, что разогревание конденсата связано не с космологическими горизонтами, возникающими из-за сверхсветового расширения, а с распадом квазичастиц, и напоминает стадию, предшествующую «разогреванию» Вселенной после инфляции.

Бозе-конденсаты охлажденных до низкой температуры атомов часто используют для моделирования систем, которые невозможно или очень сложно изучать напрямую — например, сверхтекучих жидкостей или сверхпроводников. С их помощью можно исследовать излучение Хокинга на фоне черной дыры или динамический эффект Казимира. Кроме того, в 2017 году физики смоделировали с помощью бозе-конденсата холодных атомов рубидия одномерную жидкость Латтинжера, а также научились одновременно возбуждать хиггсовскую и голдстоуновскую моду колебаний.

Для исследования сложных систем можно использовать не только бозе-конденсаты, но и других упрощенные модели. Например, в августе 2016 года физик из Израильского технологического института создал акустический аналог черной дыры и увидел, как на специальной границе, за которую не могут распространяться колебания материи, рождаются пары квантов колебаний, движущихся в разные стороны. На сегодняшний день эта модель является одним из самых достоверных аналогов излучения Хокинга.

Дмитрий Трунин