Investigadores jugando con una nube de átomos ultrafríos descubrieron un comportamiento que tiene un parecido sorprendente con el universo en el microcosmos. Su trabajo, que forja nuevas conexiones entre la física atómica y la expansión repentina del universo temprano, se publicará en Revisión física X y resaltado por Física .
"Desde la perspectiva de la física atómica, el experimento está bellamente descrito por la teoría existente", dice Stephen Eckel, físico atómico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y autor principal del nuevo artículo. "Pero aún mássorprendente es cómo esa teoría se conecta con la cosmología ".
En varios conjuntos de experimentos, Eckel y sus colegas expandieron rápidamente el tamaño de una nube de átomos en forma de rosquilla, tomando instantáneas durante el proceso. El crecimiento ocurre tan rápido que la nube se deja zumbando y puede haber aparecido un zumbido relacionadoen escalas cósmicas durante la rápida expansión del universo temprano, una época a la que los cosmólogos se refieren como el período de inflación.
El trabajo reunió a expertos en física atómica y gravedad, y los autores dicen que es un testimonio de la versatilidad del condensado de Bose-Einstein BEC, una nube ultra fría de átomos que se puede describir como un solo objeto cuántico.- como plataforma para probar ideas de otras áreas de la física.
"Quizás esto algún día sirva de base a futuros modelos de cosmología", dice Eckel. "O viceversa. Quizás haya un modelo de cosmología que sea difícil de resolver, pero que se pueda simular usando un gas atómico frío".
No es la primera vez que los investigadores conectan las BEC y la cosmología. Estudios anteriores imitaron los agujeros negros y buscaron análogos de la radiación que se pronosticaba que saldría de sus límites sombríos. Los nuevos experimentos se centran en cambio en la respuesta de la BEC a una rápida expansión,un proceso que sugiere varias analogías con lo que pudo haber sucedido durante el período de inflación.
La primera y más directa analogía implica la forma en que las ondas viajan a través de un medio en expansión. Tal situación no se presenta a menudo en física, pero sucedió durante la inflación a gran escala. Durante esa expansión, el espacio mismo estiró cualquier onda atamaños mucho más grandes y les robaron energía a través de un proceso conocido como fricción de Hubble.
En un conjunto de experimentos, los investigadores detectaron características análogas en su nube de átomos. Imprimieron una onda de sonido en su nube - regiones alternas de más átomos y menos átomos alrededor del anillo, como una onda en el universo temprano - ylo vio dispersarse durante la expansión. Como era de esperar, la onda de sonido se estiró, pero su amplitud también disminuyó. Las matemáticas revelaron que esta amortiguación se parecía a la fricción del Hubble, y el comportamiento se captó bien mediante cálculos y simulaciones numéricas.
"Es como si estuviéramos golpeando al BEC con un martillo", dice Gretchen Campbell, codirectora del NIST del Joint Quantum Institute JQI y coautora del artículo, "y me sorprende que estossimulaciones replican tan bien lo que está sucediendo ".
En una segunda serie de experimentos, el equipo descubrió otra analogía más especulativa. Para estas pruebas, dejaron al BEC libre de ondas sonoras, pero provocaron la misma expansión, observando cómo el BEC se movía hacia adelante y hacia atrás hasta que se relajó.
En cierto modo, esa relajación también se parecía a la inflación. Parte de la energía que impulsó la expansión del universo finalmente terminó creando toda la materia y la luz que nos rodea. Y aunque hay muchas teorías sobre cómo sucedió esto, los cosmólogos no estánNo estoy seguro de cómo esa energía sobrante se convirtió en todo lo que vemos hoy.
En el BEC, la energía de la expansión se transfirió rápidamente a cosas como ondas de sonido que viajan alrededor del anillo. Algunas suposiciones iniciales de por qué sucedía esto parecían prometedoras, pero no llegaron a predecir la transferencia de energía con precisión. Así que el equipo cambióa simulaciones numéricas que podrían capturar una imagen más completa de la física.
Lo que surgió fue una explicación complicada de la conversión de energía: después de que se detuvo la expansión, los átomos en el borde exterior del anillo chocaron con su nuevo límite expandido y se reflejaron hacia el centro de la nube. Allí, todavía interferían con los átomosviajando hacia afuera, creando una zona en el medio donde casi ningún átomo podría vivir. Los átomos a ambos lados de esta área inhóspita tenían propiedades cuánticas no coincidentes, como dos relojes vecinos que no están sincronizados.
La situación era muy inestable y finalmente colapsó, lo que provocó la creación de vórtices en toda la nube. Estos vórtices, o pequeños remolinos cuánticos, se romperían y generarían ondas sonoras que corrían alrededor del anillo, como las partículas y la radiación que quedan después deinflación. Algunos vórtices incluso escaparon del borde del BEC, creando un desequilibrio que dejó la nube girando.
A diferencia de la analogía con la fricción de Hubble, la complicada historia de cómo los átomos chapoteando pueden crear docenas de remolinos cuánticos puede no tener semejanza con lo que sucede durante y después de la inflación. Pero Ted Jacobson, coautor del nuevo artículo y profesor de física enla Universidad de Maryland especializada en agujeros negros, dice que su interacción con los físicos atómicos produjo beneficios fuera de estos resultados técnicos.
"Lo que aprendí de ellos, y de pensar tanto en un experimento como ese, son nuevas formas de pensar sobre el problema de la cosmología", dice Jacobson. "Y aprendieron a pensar en aspectos del BEC que nunca habrían tenido.pensé antes. Queda por ver si son útiles o importantes, pero sin duda fue estimulante ".
Eckel se hace eco del mismo pensamiento. "Ted me hizo pensar en los procesos en BEC de manera diferente", dice, "y cada vez que abordas un problema y puedes verlo desde una perspectiva diferente, te da una mejor oportunidad derealmente resolviendo ese problema ".
Los experimentos futuros pueden estudiar la complicada transferencia de energía durante la expansión más de cerca, o incluso buscar más analogías cosmológicas. "Lo bueno es que a partir de estos resultados, ahora sabemos cómo diseñar experimentos en el futuro para apuntar a los diferentes efectos queesperamos ver ", dice Campbell." Y a medida que los teóricos crean modelos, nos da un banco de pruebas donde realmente podríamos estudiar esos modelos y ver qué sucede ".
El nuevo artículo incluyó contribuciones de dos coautores no mencionados en el texto: Avinash Kumar, estudiante de posgrado en JQI; e Ian Spielman, miembro de JQI y físico del NIST.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Maryland . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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