Перші моменти після народження Всесвіту оповиті таємницею. Частково тому, що ми не можемо зазирнути достатньо далеко в минуле. Проте вчені вважають, що Всесвіт зазнав величезного розширення відразу після Великого вибуху, але зовсім не зрозуміло, як розгорталася ця швидка інфляційна стадія.

Тепер команда фізиків створила свого роду крихітний всесвіт, що розширюється, за допомогою «квантового симулятора поля» з надхолодних атомів, повідомляється в дослідженні, опублікованому в журналі Nature. Експеримент зміг змоделювати різні версії викривленого простору-часу, які відповідають моделям Всесвіту як сферичного або гіперболічного за своєю геометрією. Ці регульовані викривлення простору-часу впливають на те, як утворюються частинки, серед багатьох інших факторів.

Метою експерименту було дослідити динаміку, яка може бути подібною до раннього Всесвіту за різних сценаріїв в лабораторних умовах, з можливістю призупинити всю систему і проаналізувати її більш детально — те, що не можна зробити з реальним Всесвітом.

Успіх експерименту свідчить про те, що подібні симулятори «пропонують можливість увійти в недосліджені режими» у квантовій фізиці, яка вивчає матерію та енергію в крихітних масштабах атомів, йдеться в дослідженні. Хоча жоден експеримент не може створити умови, які безпосередньо можна порівняти з умовами раннього Всесвіту, новий експеримент досліджує механізми, які можуть бути аналогічними фізиці, що керує простором-часом і виробництвом частинок в моменти після Великого вибуху.

«Ми, безумовно, не перший експеримент, який показав якесь розширення або виробництво частинок, – сказав Ніколас Лібстер, фізик-експериментатор з Гейдельберзького університету в Німеччині, який є співавтором дослідження. – Але ми перші, хто поставив це в цей конкретний контекст того, як ці різні види інфляційних історій – такі як прискорений всесвіт, уповільнений всесвіт або всесвіт, що постійно розширюється – можуть змінювати частинки».

Лібстер і його колеги досліджували ці питання, охолоджуючи близько 20 тисяч атомів калію-39 до температури ледь вище абсолютного нуля (-273,15°C). У цьому холодному середовищі атоми утворюють так званий конденсат Бозе-Ейнштейна, який є станом матерії, що може бути використаний для моделювання екзотичних фізичних явищ, які відбуваються навколо чорних дір або в ранньому Всесвіті.

Конденсат у цьому експерименті був надплинною рідиною, тобто рідиною, яка не має в’язкості, і мав форму двовимірного млинця. Установку можна було налаштувати для моделювання різних теорій космічної інфляції, а також різних типів викривлення простору-часу, таких як плоскі, сферичні та гіперболічні моделі.

Пропускаючи звукові хвилі через конденсат — аналог світла, що пронизує всесвіт — Лібстер і його колега змогли дослідити дивну фізику кожної моделі, яка може бути схожою на ту, що виникла в ранньому всесвіті. Звукові хвилі в експерименті відігравали роль світлових хвиль у реальному Всесвіті, оскільки на їхній шлях через конденсат впливали різні конфігурації.

“Можливо, в минулому наш всесвіт мав різні види просторового викривлення, і це те, що ми можемо налаштувати в нашій системі, – пояснив Лібстер. – Ми маємо контроль над такими параметрами”.

Команда змогла змоделювати моделі космічної інфляції, які можна зупинити, щоб вивчити динаміку, що лежить в їх основі, що Лібстер назвав «мрією в космології».