物理學家開創模擬宇宙初期的實驗


德國海德堡大學(Universität Heidelberg)的研究團隊在實驗室使用冷凍的鉀原子模擬宇宙初期,研究團隊描述了他們的模擬實驗以及實驗過程。英國諾定咸大學(University of Nottingham)的西克·溫福納(Silke Weinfurtner)博士也概述這個團隊的研究工作。

科學家一直缺乏證據,去理解宇宙大爆炸時的幾分鐘情景。目前天文物理學家僅能用理論,來描述可能發生的過程。為了能夠證實他們的理論,研究人員使用一種新的方法,建立與理論條件相似的物理模型,在實驗室模擬大爆炸後的那一瞬間。

宇宙學初始和演化理論的開端,就從大爆炸啟動宇宙膨脹開始,研究人員試圖創造他們所說的「量子場模擬」。由於大多數理論認為早期宇宙非常寒冷,接近絕對零度,因此需建立一個非常低溫的實驗環境,研究人員在模擬環境中加入鉀原子,以呈現宇宙初期的樣子。

原子冷卻到略高於絕對零的溫度,用雷射給予減速,以產生玻色-愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate),一種超流體(superfluid)。研究人員藉由實驗操控傳播的速度,觀察超流體在量子動力學的行為,模擬宇宙初期理論上的波傳播。他們認為在大爆炸後的那一瞬間,超流體的行為略同於物理理論所言,會影響時空和粒子的誕生。

這是首次在實驗室模擬早期宇宙膨脹的狀態,仿照可以創造成對粒子環境的預測理論 ,觀察原子超流體在系統中的動力學,開創了在實驗室研究早期宇宙及相對量子場論動力學的新時代。

【圖:Pixabay.com;文:節錄自台北市立天文科學教育館網頁】兩份研究論文刊登在2022年11月9日出版的《自然》期刊;標題分別是:Quantum field simulator for dynamics in curved spacetime 和 Superfluid system hosts early-Universe dynamics

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