宇宙诞生的第一个瞬间与超级原子相似

宇宙学家认为，在最初的时刻，宇宙从亚原子的大小膨胀到比葡萄柚更大。但是测试这一时期的理论是困难的，因为研究人员无法重现这种极端情况。

现在，物理学家们通过创造一个由超级原子组成的模型宇宙来模拟宇宙膨胀，他们在上周发表在物理评论X 1上的一篇论文中写道。通过快速增加环状原子云的大小，它们诱导了系统中的行为，模拟了在早期宇宙中空间膨胀时光波是如何拉伸和阻尼的。

到目前为止，这个系统已经模拟了这些熟悉的现象。但在未来，它可以解决更棘手的问题，比如早期宇宙密度的变化如何导致星系和其他结构的形成，英国诺丁汉大学的量子引力物理学家西尔克魏因富特纳说，他没有参与这项研究。“这是一个非常有用的平台和一个令人兴奋的实验，”她说。

该团队主要来自马里兰州盖瑟斯堡的美国国家标准与技术研究所（NIST），他们使用了一种被称为“玻色-爱因斯坦凝聚态”的物质状态。研究人员使用了数十万个原子，当冷却到绝对零度以上的几十亿分之一时，它们就像波浪一样，它们的状态重叠形成一个单一的量子系统。物理学家此前曾使用类似的系统来模拟实验室的黑洞，并模拟高温超导体。

过去的镜子

来自NIST的原子物理学家斯蒂芬埃克尔说，声波穿过一个玻色——爱因斯坦凝聚态，遵循着同样的方程式，描述光在宇宙诞生之初是如何在真空中移动的。研究人员使用激光捕捉环中的原子，并用一组镜子控制光束，使其能够操纵固定的粒子。为了模拟宇宙的膨胀，他们以音速的速度增加了环的半径——这是“实验上的挑战”，魏因富特纳说。然后，研究人员将声波引入到系统中，并对随着环的扩张过程中它们的进化过程进行了快照。

研究小组发现，随着铃声的增加，声波的长度也在增加。这种行为与一种被称为红移的现象密切相关，在这种现象中，空间的扩张逐渐地延伸了光，从而增加了它的波长。他们还看到海浪的强度在膨胀过程中减弱，这反映了一种被称为“哈勃摩擦”的效应，它描述了早期宇宙中光波的振幅如何随着他们在不断膨胀的空间中失去能量而下降。

最后，研究小组观察到一种更复杂的效应，即所谓的预热。宇宙学家认为，预热是在膨胀结束时发生的，当最初的快速膨胀所涉及的能量消散，产生了我们今天看到的粒子的范围。在超冷原子中，当膨胀停止时，波会来回移动，然后通过一系列的漩涡消散在环周围的波中。

“这种能量的再分配让人想起了预热，”NIST的物理学家格雷琴坎贝尔说。他是这项研究的负责人。但她说，这种情况发生的速度比他们最初预测的要快，而且在某种程度上并没有直接反映任何宇宙理论。“我们看到的东西看起来就像我们在寻找的东西，但是，在引擎盖下，它变得有点复杂了。”

在未来，研究小组希望使用超低温原子来更精确地测量哈勃的摩擦，并研究重新加热所产生的地层，以及寻找新的宇宙现象。坎贝尔说，原子物理学家是否会教给宇宙学家任何新的东西，她还不知道。她说：“我们希望这个类比会变得更强，我们的系统也能成为一个不错的测试平台。”“这种合作可以帮助我们以新的方式看待事物。”