实验室中的宇宙：使用原子云测试替代宇宙论

我们不能用宇宙做实验，但我们可以制造出与之类似的东西。

在德国基尔霍夫物理研究所的地下室里，研究人员一直在模拟宇宙大爆炸后不久可能存在的宇宙。他们创造了一个桌面量子场模拟，其中包括使用磁铁和激光来控制一个保持在绝对零度附近的钾-39原子样本。然后，他们用方程来翻译这个小尺度的结果，以探索早期宇宙的可能特征。

目前所做的工作表明，模拟一个具有不同曲率的宇宙是可能的。在一个正弯曲的宇宙中，如果你沿直线向任何方向旅行，你都会回到你出发的地方。在负弯曲的宇宙中，空间弯曲成鞍形。基尔霍夫物理研究所的博士生马吕斯·斯帕恩（Marius Sparn）表示，宇宙目前是平坦的或接近平坦的。但在它存在之初，它可能是更正或更负的曲线。

绕着曲线转

慕尼黑数学哲学中心成员萨宾·霍森菲尔德（Sabine Hossenfelder）说：“如果你有一个非常大的球体，比如地球或其他东西，如果你只看到它的一小部分，你不知道它是封闭的还是无限开放的？这真的变成了一个哲学问题。我们所知道的一切都来自于我们所观察到的那部分宇宙。通常，人们的说法是，就我们所知，宇宙这部分的曲率与零相容。”

马吕斯·斯帕恩是一篇研究论文《弯曲时空动力学的量子场模拟器》的作者之一，该论文于2022年11月发表在《自然》杂志上。他与来自比利时、西班牙和德国的科学家合作。研究小组研究了宇宙早期膨胀的三种可能情况 —— 恒定、加速和减速。

斯帕恩说，桌面实验包括把钾-39放在玻璃电池中，玻璃电池上下有一组大的磁性线圈。这些磁性线圈，连同一些激光器，被用来控制样品的行为。根据海德堡大学的一份新闻声明，原子被困在一个可以被认为是二维的薄层中。

斯帕恩说，当冷却到40到60纳克尔的温度时，钾-39进入一种量子力学状态，即所谓的玻色-爱因斯坦凝聚态。量子机器公司的产品经理Ramon Szmuk表示，玻色-爱因斯坦凝聚体的功能就像一个单一的巨粒子。

“我们的玻色-爱因斯坦凝聚体是一个完全由量子力学控制的物体，因为我们在非常非常低的温度下工作，”斯帕恩说。“然后，研究小组正在寻找冷凝物的小扰动。所以你可以把它想象成密度波动的小波纹。这些都是由量子力学控制的。”

斯帕恩继续道：“显然，我们的一次实验以拍一张照片结束。因此，我们在与钾-39原子跃迁共振的光线下发光，并拍摄云的吸收图像。在这个过程中，我们通常会破坏冷凝物。在有原子的地方，我们看到的光更少。我们可以从中提取出原子的密度。所以我们的最终结果总是原子密度分布的图像。从那里，我们可以进行统计分析，以获得有关结果的更多信息。”

平行宇宙

科学家们将宇宙的方程和玻色-爱因斯坦凝聚物的方程结合起来，得出了关于早期宇宙可能表现的结论。

斯帕恩说，研究小组通过增加从实验装置中心向外的钾-39的密度来模拟正曲率。他们通过减小曲率来模拟负曲率。

“我们证明了在玻色-爱因斯坦凝聚体中模拟空间弯曲和膨胀的时空是可能的，”斯帕恩说。“这是一个均匀和各向同性的宇宙所需要的，这在大尺度上应该是一个合理的假设。”

在过去的几年里，科学家们一直在使用量子原子系统来寻找宇宙中复杂系统的类比。这也将原子物理学和天体物理学联系起来。

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