Alam Semesta di Laboratorium: Menguji Kosmologi Alternatif Menggunakan Awan Atom

Di ruang bawah tanah Institut Fisika Kirchhoff di Jerman, para peneliti telah melakukan simulasi alam semesta yang mungkin ada tak lama setelah Big Bang. Mereka menciptakan simulasi medan kuantum meja yang melibatkan penggunaan magnet dan laser untuk mengontrol sampel atom kalium 39 yang dijaga mendekati nol mutlak. Mereka kemudian menggunakan persamaan untuk menerjemahkan hasil pada skala kecil untuk mengeksplorasi kemungkinan fitur alam semesta awal.

Pekerjaan yang dilakukan sejauh ini menunjukkan bahwa simulasi alam semesta dengan kelengkungan berbeda dapat dilakukan. Di alam semesta yang melengkung positif, jika Anda bergerak ke segala arah dalam garis lurus, Anda akan kembali ke titik awal. Di alam semesta yang melengkung negatif, ruang berbentuk seperti pelana. Alam semesta saat ini datar atau hampir datar, menurut Marius Sparn, mahasiswa doktoral di Kirchhoff Institute for Physics. Namun pada awal keberadaannya, mungkin kurvanya lebih positif atau negatif.

Di sekitar tikungan

“Jika Anda memiliki bola yang sangat besar, seperti Bumi atau semacamnya, dan jika Anda hanya melihat sebagian kecilnya, Anda tidak akan tahu – apakah bola itu tertutup atau terbuka tanpa batas?” kata Sabine Hosenfelder, anggota Pusat Filsafat Matematika Munich. Satu-satunya hal yang kita ketahui berasal dari bagian alam semesta yang kita amati. Biasanya, cara orang mengungkapkannya adalah, sejauh yang kami tahu, kelengkungan di bagian alam semesta ini konsisten. dengan nol.”

Sparn adalah salah satu penulis makalah ini, “Simulasi dinamika medan kuantum dalam ruangwaktu melengkung”, yang diterbitkan di jurnal Nature pada November 2022. Tim tersebut berkolaborasi dengan ilmuwan dari Belgia, Spanyol, dan Jerman. Tim mempelajari tiga kemungkinan skenario perluasan awal alam semesta: stabil, dipercepat, dan melambat.

Eksperimen di atas meja melibatkan penempatan potasium-39 dalam sel kaca di antara serangkaian kumparan magnet besar di atas dan di bawahnya, kata Sparn. Kumparan magnet ini, bersama dengan beberapa perangkat laser, digunakan untuk mengontrol perilaku sampel. Atom-atom tersebut terperangkap dalam lapisan tipis yang dapat dianggap dua dimensi, menurut A jumpa pers Dari Universitas Heidelberg.

Ketika didinginkan hingga suhu 40 hingga 60 nanokelvin, kalium-39 memasuki keadaan mekanika kuantum yang dikenal sebagai kondensat Bose-Einstein, kata Sparn. Kondensat Bose-Einstein bertindak sebagai partikel masif tunggal, menurut Ramon Zmuk, manajer produksi di Quantum Machines.

“Kondensat Bose-Einstein kami adalah objek yang sepenuhnya diatur oleh mekanika kuantum karena kami bekerja pada suhu yang sangat rendah,” kata Sparn. “Tim kemudian mencari gangguan-gangguan kecil [the] Kapasitor. Jadi Anda bisa menganggapnya sebagai riak kecil dari fluktuasi kepadatan. Ini diatur oleh mekanika kuantum.

“Jelas satu putaran percobaan kami diakhiri dengan sebuah foto,” kata Sparn. “Jadi kami menyinari cahaya yang beresonansi dengan transisi atom kalium-39 dan mengambil gambar penyerapan awan. Dalam prosesnya, kami biasanya menghancurkan kondensat. Kami melihat lebih sedikit cahaya di tempat atom berada. Kami dapat mengekstraksi kepadatannya. dari atom-atom tersebut. Jadi, hasil akhirnya Kita selalu mempunyai gambaran distribusi kepadatan atom-atom kita, dan dari sana kita dapat melakukan analisis statistik untuk mendapatkan informasi lebih lanjut tentang hasilnya.

Alam semesta alternatif

Para ilmuwan telah menghubungkan persamaan alam semesta dan persamaan kondensat Bose-Einstein untuk menarik kesimpulan tentang bagaimana perilaku alam semesta awal.

Tim melakukan simulasi kelengkungan positif dengan meningkatkan kepadatan kalium-39 menuju keluar dari pusat pengaturan eksperimental, kata Sparn. Mereka mensimulasikan kelengkungan negatif dengan menguranginya.

“Kami telah menunjukkan bahwa ada kemungkinan untuk mensimulasikan ruangwaktu yang melengkung dan meluas secara spasial dalam kondensat Bose-Einstein,” kata Sparn. “Inilah yang Anda perlukan untuk alam semesta yang homogen dan isotropik, yang seharusnya menjadi asumsi yang adil dalam skala besar.”

Selama beberapa tahun terakhir, para ilmuwan telah menggunakan sistem atom kuantum untuk menemukan persamaan dengan sistem kompleks di alam semesta, kata Zmock. Ini menghubungkan fisika atom dan astrofisika.

Alam, 2023. DOI: 10.1038/s41586-022-05313-9

Kat Friedrich Dia adalah mantan insinyur mesin yang mulai mengambil jurusan matematika terapan, teknik, dan fisika di Universitas Wisconsin-Madison. Ia memperoleh gelar sarjana dengan fokus pada sains dan jurnalisme lingkungan, dan telah mengedit tujuh publikasi berita, dua di antaranya ia dirikan bersama. Dia adalah pemimpin redaksi majalah energi Solar Today.