量子模拟器创造宇宙

光子盒研究院出品

宇宙诞生之初发生了什么，一直困扰着科学家，部分原因是我们无法回溯到足够远的时间来观察这个古老时代发生了什么。科学家认为宇宙必定在大爆炸后经历了一次巨大的膨胀，但目前还不清楚这一快速膨胀阶段是如何展开的。

周三发表在《自然》杂志上的一项研究报告称[1]，海德堡大学的物理学家团队用超冷原子制成的“量子场模拟器”(quantum field simulator)创造了一种微小的膨胀宇宙。该实验能够模拟不同版本的弯曲时空，这些时空对应于几何形状为球形或双曲线的宇宙模型。这些可调整的时空曲率会影响粒子的产生方式，以及其他许多因素。

实验的目的是探索在实验室中不同场景下可能与早期宇宙相似的动力学，能够暂停整个系统并对其进行更仔细的分析——这是你在真实宇宙中做不到的。

该团队在研究中表示，实验的成功表明，类似的模拟器在量子物理学中“提供了进入未探索领域的可能性”，量子物理学是在原子的微小尺度上研究物质和能量的。虽然没有任何实验能够产生与早期宇宙条件直接可比的条件，但新的研究探索了可能有点类似于大爆炸后时空和粒子产生的物理学机制。

德国海德堡大学的实验物理学家Nikolas Liebster说：“我们肯定不是第一个进行某种扩张或展示这种粒子产生的实验。但我们是第一个把它放在这种特定背景下的人，这些不同类型的膨胀历史——如加速宇宙、减速宇宙或不断膨胀的宇宙——可以改变你产生的粒子。”

Liebster指出：“这些模拟宇宙学和模拟重力实验的一般作用是，如果我有一个类似于某种宇宙学模型的系统——无论是流体力学模型还是量子模型——我可以做什么实验来更多地了解我们宇宙历史上的宇宙学背景下可能发生的事情？实验如何进一步推动理论，加深我们对我们如何走到今天这一步的理解？”

Liebster和他的同事通过将大约20000个钾-39原子冷却到略高于绝对零度(大约-273.15摄氏度)的温度来探索这些问题。在低温环境下，原子形成了玻色-爱因斯坦凝聚，这是一种可以用来模拟黑洞周围或早期宇宙中发生的各种奇异物理现象的物质状态。

这个实验中的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是一种超流体，意思是一种没有粘性的流体，形状像一个二维的煎饼。可以调整设置以模拟不同的宇宙膨胀理论以及不同类型的时空曲率，例如平面模型、球面模型和双曲线模型。

通过让声波(一种穿过宇宙的光的模拟物)穿过BEC——Liebster和他的同事能够检查每个模型的奇怪物理学，这可能与早期宇宙中出现的那些相似。实验中的声波扮演了真实宇宙中光波的角色，因为它们穿过BEC的路径受到不同模型的影响。“在过去，我们的宇宙可能有不同类型的空间曲率，这就是我们可以在系统中调整的，”Liebster解释道。“我们可以控制这些参数。”

他继续说：“声波如何穿过你的系统是检查两点之间最短路径的一种非常有效的方法，因为声波总是走最短路径。声波就像真实宇宙学中的光波。它们具有相同的性质，这就是为什么我们用它们来探测我们的时空。”

通过这种方式，该研究团队可以模拟宇宙膨胀的模型，这些模型可以停下来检查它们背后的动力学，这被Liebster称为“宇宙学中的一个梦想”。总之，该实验匹配了对时间和空间中不同曲率的理论预测，验证了这种模拟方法，尽管目前它并没有证实或反驳早期宇宙的任何特定模型。

Liebster说：“我们的工作主要是对我们的模拟器进行基准测试，关于不同类型的时空曲率和空间曲率，以及它们的影响，你可以问很多非常有趣的理论问题。但是在我们能够与真实宇宙进行直接一对一的比较之前，还有许多障碍需要克服”。

Liebster继续说道：“这只是一天结束时的近似值。我必须谨慎地说，宇宙学有非常具体的结果。但我们知道，对于这个模型系统的这些具体假设，它与理论非常吻合，现在我们可以提出超出当前理论所能回答的问题。”

为此，研究人员概述了量子物理学中的一系列基本问题，这些问题可以用未来版本的模拟器来探索。我们还需要来自许多物理学领域的专家来解开这些关于我们所处的这个奇怪宇宙的长期问题的答案，但至少路线图越来越清晰。

Liebster总结道：“我并不认为我们已经接近发现宇宙大爆炸的秘密了。但即使只是理论和实验之间的这种合作——问什么问题我们能回答而你不能，什么问题你能回答而我们不能——也是非常激励人的。”

参考链接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05313-9

[2]https://www.vice.com/en/article/qjkmp7/scientists-simulate-early-universe-with-quantum-state-of-matter-in-mind-bending-lab-experiment

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