Czasoprzestrzeń płaska czy zakrzywiona? Można to odtworzyć w laboratorium

Naukowcy stworzyli symulator pola kwantowego, który pozwala na badanie wszechświatów, w których czasoprzestrzeń nie ma stałej struktury – jak w naszym. To w przyszłości może doprowadzić do bardzo ciekawych odkryć.
W naszym Wszechświecie czasoprzestrzeń ma stałą strukturę, ale niektóre masywne obiekty – jak supermasywne czarne dziury – mogą ją zakrzywiać /Fot. Pixabay

W naszym Wszechświecie czasoprzestrzeń ma stałą strukturę, ale niektóre masywne obiekty – jak supermasywne czarne dziury – mogą ją zakrzywiać /Fot. Pixabay

Zgodnie z teorią względności, przestrzeń i czas są ze sobą nierozerwalnie związane. Krzywizna naszego Wszechświata jest ledwo mierzalna, a struktura czasoprzestrzeni stała. Ale możliwe są także inne warianty. Niemieccy fizycy w badaniach na ultrazimnych gazach kwantowych byli w stanie zasymulować całą rodzinę wszechświatów z zakrzywioną czasoprzestrzenią. Szczegóły opublikowano w Nature.

Czasoprzestrzeń niejedną ma strukturę

Powstanie czasoprzestrzeni od Wielkiego Wybuchu do chwili obecnej jest przedmiotem badań astrofizyków na całym świecie, choć tylko na podstawie jednej możliwości – obserwacji Wszechświata, w którym żyjemy. Ale przecież można symulować inne warianty.

Czytaj też: Takiej symulacji jeszcze nie było. W rolach głównych komputer kwantowy i tunel czasoprzestrzenny

W płaskiej przestrzeni – jak nasz Wszechświat – najkrótsza odległość między dwoma punktami jest zawsze linią prostą. Można sobie wyobrazić, że w swojej wczesnej fazie nasz Wszechświat był zakrzywiony. Badanie konsekwencji zakrzywionej czasoprzestrzeni jest zatem ważnym problemem badawczym, którym zajmuje się zespół uczonych z Uniwersytetu w Heidelbergu pod kierunkiem prof. Markusa Oberthalera. Uczeni stworzyli w tym celu symulator pola kwantowego.

Składa się on z chmury atomów potasu schłodzonych do poziomu zaledwie kilku nanokelwinów powyżej zera bezwzględnego. W takich warunkach tworzą one tzw. kondensat Bosego-Einsteina, specjalny rodzaj gazu atomowego, uważany przez wielu za kolejny stan skupienia materii.

Jest on idealnym tłem, na którym widoczne stają się najmniejsze wzbudzenia, czyli zmiany stanu energetycznego atomów. Forma chmury atomowej decyduje o wymiarowości i właściwościach czasoprzestrzeni, po której te wzbudzenia jeżdżą jak fale. W naszym Wszechświecie istnieją trzy wymiary przestrzeni, a także czwarty: czas. prof. Markus Oberthaler

W przeprowadzonym eksperymencie atomy są uwięzione w cienkiej warstwie, a wzbudzenia mogą rozchodzić się tylko w dwóch kierunkach przestrzennych. Jednocześnie chmura atomowa w pozostałych dwóch wymiarach może być kształtowana w niemal dowolny sposób, dzięki czemu możliwa jest również realizacja zakrzywionych czasoprzestrzeni. Oddziaływanie między atomami może być precyzyjnie regulowane przez pole magnetyczne, zmieniając prędkość propagacji falowych wzbudzeń na kondensacie Bosego-Einsteina.

Dla fal na kondensacie prędkość propagacji zależy od gęstości i interakcji atomów. To daje nam możliwość stworzenia warunków takich jak w rozszerzającym się wszechświecie. prof. Stefan Flörchinger z Uniwersytetu w Jenie

Za pomocą symulatora pola kwantowego można uczynić mierzalnymi zjawiska kosmiczne, takie jak produkcja cząstek oparta na rozszerzaniu się przestrzeni, a nawet zakrzywienie czasoprzestrzeni. Można dzięki temu badać różne warianty wszechświatów i rozważać, które z nich są najbardziej optymalne.