В охлаждённом до предела веществе воспроизвели Большой взрыв

Облако вещества в форме бублика расширялось со сверхзвуковой скоростью, имитируя инфляцию в ранней Вселенной.

Иллюстрация Emily Edwards, Joint Quantum Institute.

Экспериментаторы воспроизвели в лаборатории аналог Большого взрыва. Для этого они использовали экзотическое квантовое состояние материи, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ). Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review X группой во главе с Гретхен Кэмпбелл (Gretchen Campbell) из Мэрилендского университета в США.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о природе КБЭ. Это состояние можно получить, охладив вещество до температур, на ничтожные доли градуса отличающихся от абсолютного нуля (-273 оС). Обычно оно используется для изучения квантовой физики. Однако иногда учёные применяют КБЭ в качестве модели глобальных астрофизических процессов.

В этот раз их интересовал самый ранний этап жизни Вселенной, известный как эпоха инфляции. Считается, что тогда за 10-35 секунды объём космоса увеличился как минимум в 1030 раз. Начало этого процесса и считается в современной космологии Большим взрывом.

"Наши знания об этом расширении ограничены тем, что мы можем выяснить путём наблюдения [за современным космосом], поскольку создать Вселенную в лаборатории, по понятным причинам, немного сложно, – приводит ресурс Space.com слова Кэмпбелл. – Одним из потенциальных лабораторных моделей Вселенной является расширяющийся КБЭ, экзотическое состояние ультрахолодного вещества, где волновые функции атомов перекрываются, а атомы ведут себя как один".

Физики охладили несколько сотен тысяч атомов натрия-23 до ультранизкой температуры, благодаря чему они перешли в состояние КБЭ. Затем в нескольких сериях экспериментов это облако расширялось со сверхзвуковой скоростью. Например, всего за миллисекунду его объём увеличивался в четыре раза. Это, конечно, далеко от темпов космологической инфляции, но учёные имеют основания полагать, что эти процессы похожи.

Как считают космологи, по мере замедления расширения Вселенной из энергии поля, порождающего инфляцию, рождались частицы. Аналогично этому процессу, по мере замедления расширения облака КБЭ в нём рождались разнообразные структуры, в том числе вихри и особые одиночные волны, так называемые солитоны. При взаимодействии новорождённых частиц в юной Вселенной выделялась запасённая в них энергия, что привело к разогреву вещества (температура поднялась до огромных значений). Примерно это же наблюдалось и при взаимодействии структур в КБЭ.

"На самом деле я была удивлена, насколько наши теоретические расчёты соответствуют тому, что мы видели в лаборатории, и насколько хорошо всё это получилось", – признаётся Кэмпбелл.

В дальнейшем авторы планируют подробнее изучить сложные взаимодействия в облаке КБЭ в поисках новых эффектов, космологические аналоги которых позднее могут обнаружиться в астрономических наблюдениях.

"Самое приятное, что благодаря этим результатам мы теперь знаем, как проектировать будущие эксперименты, чтобы получить различные эффекты, которые мы надеемся увидеть", – говорит Кэмпбелл.

Напомним, что "Вести.Наука" писали и других применениях КБЭ. Например, мы рассказывали о том, зачем физики воспроизводят это состояние на МКС. Напомним также и о других неожиданных космологических аналогиях: так, учёные объясняли, что общего у Вселенной с головным мозгом, голограммой и жидкостью.