宇宙学家认为，在最初的时刻，宇宙从亚原子大小膨胀到比葡萄柚还大。但测试关于这一时期的理论是很困难的，因为研究人员无法重现如此极端的条件。
现在，物理学家们在实验室中模拟了这种宇宙膨胀，他们在一篇发表于上周《物理评论X》的论文中报告说，他们创造了一个由超冷原子构成的模型宇宙1。通过快速增大环形原子云的尺寸，他们诱导该系统中出现一种行为，这种行为模拟了早期宇宙中光波在空间膨胀时如何被拉伸和衰减的。
到目前为止，该系统已经模拟了这些熟悉的现象。但英国诺丁汉大学的量子引力物理学家西尔克·韦因弗特纳说，未来，它可以解决更棘手的问题，例如早期宇宙密度的变化如何导致星系和其他结构的形成。她没有参与这项研究。“这是一个非常有用的平台，也是一个令人兴奋的实验，”她说。
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该团队主要来自美国国家标准与技术研究院（NIST），位于马里兰州盖瑟斯堡，他们使用了一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚态的物质状态。研究人员使用了数十万个原子，当这些原子冷却到绝对零度以上几个十亿分之一度时，它们的行为就像波一样，其状态重叠形成一个单一的量子系统。物理学家们以前曾使用类似的系统来模拟实验室中的黑洞和来模拟高温超导体。
过去的镜子
NIST的原子物理学家、共同作者斯蒂芬·埃克尔说，在玻色-爱因斯坦凝聚态中传播的声波，遵循描述光在宇宙黎明时期如何穿过空旷空间的相同方程。研究人员使用激光将原子捕获在一个环中，并通过一系列反射镜控制光束，从而操纵这些被固定住的粒子。为了模拟宇宙的膨胀，他们以声速增加了环的半径——韦因弗特纳说，这“在实验上具有挑战性”。然后，研究人员将声波引入系统，并拍摄了当环膨胀时它们如何演变的快照。
该团队观察到，随着环的增大，声波的波长也在增加。这种行为非常类似于一种被称为红移的现象，在这种现象中，空间的膨胀逐渐拉伸光，从而增加光的波长。他们还观察到，在膨胀过程中，波的强度减弱，这反映了一种被称为哈勃摩擦的效应，这种效应描述了早期宇宙中光波的振幅如何随着它们将能量损失到膨胀的空间而下降。
最后，该团队观察到了一种更复杂效应的迹象，这种效应被称为预热。宇宙学家认为，预热发生在暴胀的末期，当时最初快速膨胀所涉及的能量消散，产生了我们今天看到的一系列粒子。在超冷原子中，当膨胀停止时，波会在一系列漩涡中来回晃动，然后消散成围绕环传播的波。
NIST的物理学家、该研究的负责人格雷琴·坎贝尔说，这种能量的重新分配让人想起预热。但它发生的速度比他们最初预测的要快，而且发生的方式并没有直接反映任何宇宙学理论，她说。“我们看到了一些看起来像我们正在寻找的东西，但实际上，它要复杂得多。”
未来，该团队希望利用超冷原子更精确地测量哈勃摩擦，并研究再加热形成的结构，以及寻找新的宇宙学现象。坎贝尔说，原子物理学家是否会教给宇宙学家任何新的东西，她还不清楚。“希望这种类比会变得更强，我们的系统可以成为一个很好的试验平台，”她说。“这些合作可以帮助我们双方以新的方式看待事物。”
本文经许可转载，并于2018年4月25日首次发表