对于宇宙学领域来说，只有一个宇宙。这使得以与其他科学领域相同的方式进行实验成为一项相当大的挑战。但事实证明，至少从数学角度来看，宇宙和渗透其中的量子场与玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)等量子流体高度相似。这些流体可以成为实验的主题，使宇宙学可以在实验室中进行研究。

在《自然》杂志发表的一篇论文中，德国海德堡大学的研究人员首次使用 BEC 来模拟膨胀的宇宙和其中的某些量子场，这使得研究重要的宇宙学场景成为可能。宇宙目前不仅在膨胀，而且据信在大爆炸后的最初几分之一秒内，它经历了一段极速膨胀的时期，称为“暴胀”。这个过程会将早期宇宙中量子场的微观涨落扩大到星系团的大小，为我们今天宇宙的大尺度结构埋下了种子。

为了研究这个宇宙学模型，研究人员从光阱中由钾-39原子组成的扁平 BEC 液滴开始。这是模拟器的“宇宙”部分，它的空间曲率与 BEC 的平均密度有关。量子场部分由声子扮演，声能量子化包在流体中移动。这些类似于在实际宇宙中波动的光子和其他量子场。

图：说明如何使用微小的玻色-爱因斯坦凝聚来模拟大爆炸后瞬间发生的空间膨胀。

量化振动

声子是通过向 BEC 发射激光产生的。当激光关闭时，声子振动通过液滴传播。量子粒子遵循由它们移动的时空曲率决定的轨迹。因此，通过研究这些声子的轨迹，研究人员能够确认模拟宇宙具有他们想要的空间曲率。

最后，通过调整 BEC 中原子与磁场之间的相互作用强度，巧妙地实现了空间的扩展。降低相互作用强度也会降低声速，这与相应的空间扩展具有相同的效果。这个想法是，在扩展的空间中，信号穿过它的长度需要更长的时间。因此，我们可以通过减慢信号来产生相同的效果，而不是物理地膨胀液滴。

图：就像真实的东西一样:BEC在膨胀斜坡之前(左)和之后(中)的测量密度。颗粒度的增加是更大密度波动的结果——是流体中产生声子的膨胀的结果。同样的现象被认为是宇宙中物质大规模分布的原因。这种分布在右侧通过今天宇宙中暗物质分布模拟的一部分来说明。

量子场和动态时空以复杂的方式相互作用。一个特别奇怪的特征是，膨胀的空间可以产生粒子——一种类似于黑洞产生霍金辐射的效应。通过调整 BEC 的散射长度，科学家们尝试以不同的方式“增加”他们的迷你宇宙的大小，对应于均匀、加速和减速的膨胀。

播种大型结构

正如预期的那样，他们观察到的实际上与声子的产生相对应。当这些声子相互干扰时，它们会在 BEC 中产生随机密度波动模式。因此，他们观察到了被预测为在早期宇宙中形成大尺度结构的相同现象。

尽管模拟宇宙与我们自己的宇宙有很大不同——例如，它只有两个空间维度和不同的整体曲率——但这些简单的工具可能会帮助科学家解决未来的难题。

“已经简化的宇宙学模型，就像我们考虑的那样，可以包含我们宇宙中存在的一些未被充分理解的现象，”Nature 论文的合著者之一Marius Span 解释说。

即使是这个原理验证实验也包含有趣的惊喜。不仅声子是由膨胀斜坡产生的，而且它们的集体振荡特性也取决于所执行的斜坡类型。声子包含的信息可以揭示膨胀是恒定的、加速的还是减速的。Sparn 说这个有趣的特征只有通过理论和实验之间的相互作用才能理解，它展示了进行这些基于实验室的研究的可能性。

特别是，研究人员希望利用这些工具来回溯宇宙最早的时刻，并探索宇宙大尺度结构具有量子起源的假设。合著者Stefan Floerchinger问道：“标准教科书理论是否完整，或者是否有方法通过更详细地研究量子涨落、相关性和纠缠来回顾暴胀前的时期？”

参考链接：https://physicsworld.com/a/an-expanding-universe-is-simulated-in-a-quantum-droplet/