宇宙學家認為，在最初的時刻，宇宙從亞原子的大小膨脹到比葡萄柚更大。但是測試這一時期的理論是困難的，因為研究人員無法重現這種極端情況。
現在，物理學家們通過創造一個由超級原子組成的模型宇宙來模擬宇宙膨脹，他們在上週發表在物理評論X 1上的一篇論文中寫道。通過快速增加環狀原子雲的大小，它們誘導了系統中的行為，模擬了在早期宇宙中空間膨脹時光波是如何拉伸和阻尼的。
到目前為止，這個系統已經模擬了這些熟悉的現象。但在未來，它可以解決更棘手的問題，比如早期宇宙密度的變化如何導致星系和其他結構的形成，英國諾丁漢大學的量子引力物理學家西爾克魏因富特納說，他沒有參與這項研究。“這是一個非常有用的平臺和一個令人興奮的實驗，”她說。
該團隊主要來自馬里蘭州蓋瑟斯堡的美國國家標準與技術研究所（NIST），他們使用了一種被稱為“玻色-愛因斯坦凝聚態”的物質狀態。研究人員使用了數十萬個原子，當冷卻到絕對零度以上的幾十億分之一時，它們就像波浪一樣，它們的狀態重疊形成一個單一的量子系統。物理學家此前曾使用類似的系統來模擬實驗室的黑洞，並模擬高溫超導體。
過去的鏡子
來自NIST的原子物理學家斯蒂芬埃克爾說，聲波穿過一個玻色——愛因斯坦凝聚態，遵循著同樣的方程式，描述光在宇宙誕生之初是如何在真空中移動的。研究人員使用激光捕捉環中的原子，並用一組鏡子控制光束，使其能夠操縱固定的粒子。為了模擬宇宙的膨脹，他們以音速的速度增加了環的半徑——這是“實驗上的挑戰”，魏因富特納說。然後，研究人員將聲波引入到系統中，並對隨著環的擴張過程中它們的進化過程進行了快照。
研究小組發現，隨著鈴聲的增加，聲波的長度也在增加。這種行為與一種被稱為紅移的現象密切相關，在這種現象中，空間的擴張逐漸地延伸了光，從而增加了它的波長。他們還看到海浪的強度在膨脹過程中減弱，這反映了一種被稱為“哈勃摩擦”的效應，它描述了早期宇宙中光波的振幅如何隨著他們在不斷膨脹的空間中失去能量而下降。
最後，研究小組觀察到一種更復雜的效應，即所謂的預熱。宇宙學家認為，預熱是在膨脹結束時發生的，當最初的快速膨脹所涉及的能量消散，產生了我們今天看到的粒子的範圍。在超冷原子中，當膨脹停止時，波會來回移動，然後通過一系列的漩渦消散在環周圍的波中。
“這種能量的再分配讓人想起了預熱，”NIST的物理學家格雷琴坎貝爾說。他是這項研究的負責人。但她說，這種情況發生的速度比他們最初預測的要快，而且在某種程度上並沒有直接反映任何宇宙理論。“我們看到的東西看起來就像我們在尋找的東西，但是，在引擎蓋下，它變得有點複雜了。”
在未來，研究小組希望使用超低溫原子來更精確地測量哈勃的摩擦，並研究重新加熱所產生的地層，以及尋找新的宇宙現象。坎貝爾說，原子物理學家是否會教給宇宙學家任何新的東西，她還不知道。她說：“我們希望這個類比會變得更強，我們的系統也能成為一個不錯的測試平臺。”“這種合作可以幫助我們以新的方式看待事物。”
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