实验室里的“宇宙膨胀”

原文以Universe's first moments mimicked with ultracool atoms为标题

发布在2018年4月25日的《自然》新闻上

原文作者：Elizabeth Gibney 

物理学家在一圈冷原子中看到了宇宙膨胀的特征。

宇宙学家认为宇宙在最开始的一段时间内从亚原子大小膨胀到比葡萄柚大。但是要检验有关宇宙初期的理论很困难，因为研究人员无法重现这种极端条件。

物理学家希望玻色–爱因斯坦凝聚态能够帮助他们了解最初时刻的宇宙。

图片来源：NIST

现在，物理学家通过创建一个由超冷原子构成的模型宇宙，在实验室中模拟了宇宙膨胀，相关结果发表在《物理评论X》（Physical Review X）上。他们快速增加环状原子云的大小，在系统中引发了一种行为，模拟了宇宙早期空间膨胀时光波如何被拉伸和衰减。

截至目前，该系统模拟的是这些熟悉的现象。但是在未来，它也许可以处理更棘手的问题，比如早期宇宙密度的变化如何导致星系和其他结构的形成，英国诺丁汉大学的量子引力物理学家Silke Weinfurtner如此表示——尽管她没有参与这项研究。“这是一个非常有用的平台，也是一项令人兴奋的实验”。

上述研究团队主要来自马里兰州的美国国家标准技术研究所 (NIST)，他们利用玻色-爱因斯坦凝聚态来开展这项研究，将数十万个原子冷却到绝对零度以上几十亿分之一度时，它们表现得像波一样，并且波态相互交叠，形成一个单一的量子系统。物理学家以前曾使用类似的系统在实验室内模拟黑洞和高温超导体。

时间之镜

论文共同作者、NIST的原子物理学家Stephen Eckel表示，在玻色-爱因斯坦凝聚态中传播的声波所遵守的方程，同描述光在宇宙黎明时期如何穿过真空空间的方程一样。

研究人员使用激光将原子囚禁在一个环中，并用一系列镜子控制光束，借此操纵固定的粒子。Weinfurtner说，为了模拟宇宙的扩张，他们以声速增加环的半径——这“在实验上具有挑战性”。研究人员随后将声波引入系统，并观察声波如何随着环形的扩大而演变。

他们看到声波的长度随着环的扩大而增长，这种行为非常接近一种被称为红移的现象，即空间的扩张逐渐拉伸光并因此增加其波长。除此之外，在环扩大的过程中，波的强度发生减弱，这类似于哈勃摩擦效应——描述了早期宇宙中光波的振幅如何随着光波在扩张空间中失去能量而下降。

最后，团队还观察到了一种更为复杂的效应——预热的迹象。宇宙学家认为，预热是在宇宙膨胀结束时发生的，那时参与初始快速扩张的能量发生耗散，形成了今天我们看到的各种粒子。在超冷原子中，当膨胀停止时，波来回晃动，然后通过一系列漩涡耗散成绕环传输的波。

领导开展这项工作的NIST物理学家Gretchen Campbell说，这种能量再分配让人联想到预热。但它发生的速度比他们最初预测的要快，且并未直接地映射任何宇宙学理论，“我们看到的似乎正是我们孜孜寻找的，但是透过表象看进去，发现它更复杂一点。”

团队希望将来能够使用超冷原子更精确地测量哈勃摩擦，研究再加热催生的结果，寻找新的宇宙学现象。Campbell说她还不知道原子物理学家是否会给宇宙学家带来新发现。“希望可以发现二者之间更强的关联，希望我们的系统可以成为一个出色的测试平台，”她说，“这种合作可以帮助我们双方以新的方式看待事物。”ⓝ

Nature|doi:10.1038/d41586-018-04972-x

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