Boseho–Einsteinův kondenzát. Kredit: NIST/JILA/CU-Boulder.

Vesmír vznikl před dlouhými miliardami let. Velmi nás zajímá, jak to tehdy bylo, ale z té doby se uchovalo jen velmi málo dostupných informací. Když „fosilní“ údaje o počátku nestačí, astrofyzici se uchylují ke kvantovým simulátorům. Tým německé Universität Heidelberg si postavili simulátor velmi raného vesmíru, který využívá ultrachladné atomy draslíku.

Celia Viermann. Kredit: SynQS.

Pochopení vývoje vesmíru bezprostředně po Velkém třesku je klíčové pro celou kosmologii. Není to ale snadné, když jsou k dispozici jen teorie, v nichž ještě navíc straší obtížně představitelné singularity. Celia Viermannová a její kolegové vytvořili „simulátor kvantového pole“ (quantum field simulator), který představuje fyzikální model určitých podmínek ve vesmíru těsně po Velkém třesku.

Logo. Kredit: německé Universität Heidelberg.

Mohlo by se zdát zvláštní, když je velmi horký mladý vesmír simulován ultrachladným simulátorem. Nicméně, tým Viermannové navazuje na asi čtyřicet let staré pozorování, které zaznamenalo podobnosti mezi kvantovými poli a šířením zvukových vln v kapalině. Ultrachladné atomy draslíku představují hmotu raného vesmíru, kterou chtěli badatelé simulovat.

Badatelé atomy draslíku doslova umrtvili s pomocí laserových paprsků tak, aby měly teplotu jen těsně nad absolutní nulou. V důsledku toho vznikl proslavený Boseho–Einsteinův kondenzát. Vědci poté s využitím světelného záření ze speciálního projektoru uspořádali atomy v kondezátu takovým způsobem, aby se v nich ve dvou směrech šířily excitony, vibrační kvanta v podobě kvazičástic fononů. V experimentu použili zhruba 23 tisíc atomů draslíku-39, do nichž pouštěli zvukové vlny a jejich šíření manipulovali pomocí magnetických polí.

Během tohoto výzkumu badatelé s kvantovým simulátorem napodobili rozpínání mladičkého vesmíru, čili kosmologickou inflaci. Ta představuje důležitý koncept pro vysvětlení některých předpokládaných vlastností čerstvě zrozeného vesmíru, ale zároveň jde kontroverzní hypotézu, k níž je část fyziků velmi skeptická. Atomy v Boseho–Einsteinově kondenzátu se přitom pohybovaly tak, že to bylo v souladu s některými teoretickými předpověďmi kosmologické inflace. Mimo jiné badatelé pozorovali spontánní vznikání „částic“ v párech, což by mělo být typické pro vesmír ve zlomku sekundu po Velkém třesku.

Literatura

Phys.org 10. 11. 2022.

IFL Science 10. 11. 2022.

Nature 611: 260–264.

Dostupná preprintová verze: Celia Viermann, et al.: Quantum field simulator for dynamics in curved spacetime https://arxiv.org/pdf/2202.10399.pdf