研究人员使用超冷量子气体创造了弯曲的时空(图)

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爱因斯坦的相对论指出,空间和时间是相互交织的。在我们的宇宙中,时空的曲率相对较小,而且是不变的。然而,来自海德堡大学的研究人员成功地创造了一个实验室实验,其中时空结构可以被操纵。研究人员使用超冷量子气体模拟了一系列弯曲的宇宙,以探索各种宇宙学的情况。然后他们将这些模拟与一个量子场理论模型的预测进行了比较。该研究结果发表在《自然》杂志上。



弯曲的时空是爱因斯坦提出的广义相对论中的一个概念,它描述了引力如何影响宇宙的形状。它表明,宇宙中物质或能量的存在会导致时空结构的弯曲。

从大爆炸到现在,宇宙时间尺度上的空间和时间的出现是目前研究的主题,只能基于对我们单一宇宙的观察。空间的膨胀和曲率对宇宙学模型至关重要。在像我们当前宇宙这样的平坦空间中,两点之间的最短距离总是一条直线。然而,可以想象的是,我们的宇宙在早期阶段是弯曲的。

"因此,研究弯曲时空的后果是研究中的一个紧迫问题,"海德堡大学基希霍夫物理研究所的研究员马库斯-奥伯塔勒教授说。他与他的"合成量子系统"研究小组一起,为此目的开发了一个量子场模拟器。

在实验室里创建的量子场模拟器由一团钾原子组成,它被冷却到仅高于绝对零度的几个纳克尔文。这就产生了玻色-爱因斯坦凝聚物--一种在极冷温度下达到的特殊的原子气体量子力学状态。

奥伯塔勒教授解释说,玻色-爱因斯坦凝结物是一个完美的背景,在这个背景下,最小的激发,即原子的能量状态的变化也变得可见。原子云的形式决定了时空的维度和属性,这些激发像波一样在其上运行。

在我们的宇宙中,有三个维度的空间以及第四个维度:时间。在海德堡物理学家进行的实验中,原子被困于一个薄层中。因此,激波只能在两个空间方向传播--空间是二维的。同时,其余两个维度的原子云几乎可以以任何方式被塑造,因此也有可能实现弯曲的时空。原子之间的相互作用可以通过磁场进行精确调整,改变玻色-爱因斯坦凝聚体上的波状激发的传播速度。

"对于凝结物上的波,传播速度取决于原子的密度和相互作用。这使我们有机会创造出类似于膨胀的宇宙中的条件,"Stefan Flörchinger教授解释说。这位曾在海德堡大学工作并于今年年初加入耶拿大学的研究人员开发了用于定量比较实验结果的量子场理论模型。

"使用量子场模拟器,宇宙现象,如基于空间膨胀的粒子的产生,甚至时空曲率都可以被测量出来。"宇宙学问题通常发生在难以想象的大尺度上。《自然》杂志文章的主要作者Celia Viermann说:"能够在实验室中具体研究它们,使我们能够通过实验来测试新的理论模型,从而为研究提供全新的可能性。"

Markus Oberthaler说:"在实验室中研究弯曲时空和量子力学状态的相互作用将在未来一段时间内占据我们的位置,"他的研究小组也是Ruperto Carola的STRUCTURES卓越集群的一部分。

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