超冷原子将揭示早期宇宙的戏剧性膨胀？

对超冷原子进行实验的研究人员观察到行为与早期宇宙的快速指数膨胀惊人地相似——宇宙学家称之为宇宙膨胀时期。超冷原子可以用来模拟复杂的、冷凝物质系统，这些系统很难在实验中进行研究，比如超固体、超导体甚至是黑洞。因此在新的实验中，几十万个钠-23原子被冷却到足够低的温度，使原子形成玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)。这是一团奇特的、类似气体的原子粒子云，其温度接近绝对零度。研究人员利用激光将云包裹成甜甜圈形状，半径在短短几毫秒内增加了4倍，导致BEC以超音速膨胀。

对膨胀的玻色-爱因斯坦凝聚环的概念图，图片：Emily Edwards, Joint Quantum Institute

博科园-科学科普：研究小组成员格雷琴·坎贝尔，马里兰大学联合量子研究所的成员说：宇宙膨胀是我们理解宇宙的核心。在几组实验中，研究人员将声波输入到他们的云层中——环周围的原子越来越多，原子越来越少，以模拟宇宙早期的波动——观察声波在膨胀过程中消散。不出意外的是，声波伸展了，但它的振幅也减小了。这种增长的速度如此之快，以至于云团一直在嗡嗡作响，在膨胀时期，宇宙尺度上可能也出现了类似的嗡嗡声。

对这种膨胀的了解仅限于通过观察能够学到的东西，因为在实验室里创造一个宇宙是有点困难的，这是可以理解的。宇宙中一个潜在的实验室标准是扩展的BEC，这是一种奇异的超古老物质，在那里原子的波函数会重叠，原子也会像一个原子一样运动。在快速膨胀期结束后，量子场中包含的能量使膨胀衰减成低能粒子。这进而导致了重新加热，这是一个重要的过程，可能产生了在宇宙结构形成之前物质的高温状态。

探索这些联系，发现共同的现象，有一天这种类型的实验，利用冷原子物理学，可以解开宇宙形成的谜团。在过去十年左右的时间里，科学家们真的找到了如何精确控制超冷原子的方法，所以把这些原子放在由光构成的阱里，由于实验室的新技术和发展，能够很好地控制这些光电势，这意味着我们可以用它们做很多不同的事情。

图片：University of Maryland

研究人员将原子物理学和重力方面的专家聚集在一起，研究小组成员称这证明了BEC作为测试其他物理领域想法的平台通用性。理论计算和我们在实验室里看到的非常吻合，而且结果也非常完美，这是一件比预期要好得多的事情。这并不是研究人员第一次使用冷原子物理学来研究宇宙学。先前的实验模拟了黑洞的行为，并提供了一个机会去寻找预测从黑洞阴影边界涌出的辐射证据。

麻省理工学院的Wolfgang Ketterle是最早的冷原子物理学先驱之一，2001年他在BEC方面的研究为他赢得了诺贝尔物理学奖，对此表示：像最近研究中报道的那样的研究将会激励其他人在宇宙尺度上做出一个进展或一个新的预测，推动科学向前发展。显然有兴奋之情，创造了一个新平台，观察膨胀的玻色-爱因斯坦凝聚体中的膨胀，以及如何利用BEC中的声波来研究膨胀动力学。

未来的实验可能更深入地研究膨胀过程中复杂的能量转移，甚至可能寻找进一步的宇宙学类比。从这些结果中，现在知道如何设计未来的实验，以针对我们希望看到的不同效果。当理论家们提出模型时，它确实给了我们一个试验台，可以研究这些模型，看看会发生什么，该研究发表在《物理评论X》上。

博科园-科学科普｜参考期刊文献：《 Physical Review X》｜文：Scott Snowden/Space

博科园-传递宇宙科学之美

阅读原文进入下载iOS+安卓App：博科园