04.23 宇宙膨脹現象在實驗室中重現

宇宙膨脹現象在實驗室中重現

科學家們研究了一種特殊的物質狀態,發現它的行為類似於早期宇宙的加速膨脹,這使得天文學家能夠在實驗室環境中測試新的模型。

這項發表在“物理評論X”上的研究著眼於玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC),玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)是稀釋的粒子氣體被冷卻到幾乎絕對零度的一種物質狀態。研究小組正在研究這種狀態的擴展,方法是將圓圈狀的原子團展開。這種膨脹是如此之快,以至於所有的氣體都在震動。

宇宙膨脹現象在實驗室中重現

那麼,這一現象是如何與天文學相聯繫的呢?人們認為,宇宙在大爆炸後的第一個瞬間也經歷過類似的快速膨脹時期,被稱為宇宙膨脹,但這仍然是很難理解的。但是,使用玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC),也許有可能消除一些疑慮。

美國國家標準與技術研究所(National Institute Of Standard And Technology)的首席作者斯蒂芬·埃克爾(Stephen Eckel)在一份聲明中表示:“從原子物理學的角度來看,現有理論很好地描述了這個實驗,但更引人注目的是,這個理論如何與宇宙學相聯繫。”

也許有一天,這將為未來的宇宙學模型提供信息。反之亦然。也許會有一個宇宙學模型很難解決,但你可以用冷原子氣體來模擬。

玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)是量子現象變得明顯的系統,由於BEC中的粒子只有很少的自由能(因為它們很冷),所以可以用它們來模擬一些複雜的,有時甚至是極端的物理場景。BEC已經成功地用於模擬黑洞。

宇宙膨脹現象在實驗室中重現

這個小組計劃進行兩個實驗。首先,他們研究了波是如何在膨脹介質中傳播的。他們在原來的玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)裡放了一個聲波,並研究了它是如何隨著冷凝態膨脹而變化的。聲波最終被拉伸和擴散,而阻尼效應看起來像被稱為哈勃摩擦的宇宙學參數,它在宇宙膨脹中起了一定的作用。研究小組還讓氣體在沒有任何聲波的情況下膨脹,他們仍然在氣體中看到了在宇宙學理論中發現的氣體中的振動。

雖然很有趣,但這並不是整個宇宙和玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)之間的直接比較。一個重要的分歧是能量轉移。在宇宙膨脹中,一些剩餘的能量最終轉化為物質和光,但在BEC中卻沒有類似的現象。量子效應在其中佔據主導地位,產生旋渦,使環旋轉,並改變原子的性質。

該小組希望更好地理解這些能量轉移,並繼續在玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)中尋找宇宙類比。


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