Los investigadores que jugaban con una nube de átomos ultrafríos descubrieron un comportamiento que tiene un parecido sorprendente con el universo en el microcosmos. Su trabajo, que forja nuevas conexiones entre la física atómica y la repentina expansión del universo temprano, fue publicado el 19 de abril en Revisión física X y aparece en Física .

"Desde la perspectiva de la física atómica, el experimento está bellamente descrito por la teoría existente, "dice Stephen Eckel, físico atómico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y autor principal del nuevo artículo. "Pero aún más sorprendente es cómo esa teoría se conecta con la cosmología".

En varios conjuntos de experimentos, Eckel y sus colegas expandieron rápidamente el tamaño de una nube de átomos en forma de rosquilla, tomar instantáneas durante el proceso. El crecimiento ocurre tan rápido que la nube se queda zumbando, y un zumbido relacionado puede haber aparecido en escalas cósmicas durante la rápida expansión del universo primitivo, una época a la que los cosmólogos se refieren como el período de inflación.

El trabajo reunió a expertos en física atómica y gravedad, y los autores dicen que es un testimonio de la versatilidad del condensado de Bose-Einstein (BEC) —una nube ultra fría de átomos que puede describirse como un solo objeto cuántico— como plataforma para probar ideas de otras áreas de la física.

"Quizás esto algún día informe a los futuros modelos de cosmología, “Dice Eckel.” O viceversa. Tal vez haya un modelo de cosmología que sea difícil de resolver pero que pueda simular usando un gas atómico frío ".

No es la primera vez que los investigadores conectan las BEC y la cosmología. Los estudios anteriores imitaron los agujeros negros y buscaron análogos de la radiación que se predice que saldría de sus límites sombríos. Los nuevos experimentos se centran en cambio en la respuesta del BEC a una rápida expansión, un proceso que sugiere varias analogías con lo que pudo haber sucedido durante el período de inflación.

La primera y más directa analogía involucra la forma en que las ondas viajan a través de un medio en expansión. Esta situación no se presenta a menudo en física, pero sucedió durante la inflación a gran escala. Durante esa expansión, el propio espacio estiró las ondas a tamaños mucho más grandes y les robó energía a través de un proceso conocido como fricción de Hubble.

En un conjunto de experimentos, los investigadores detectaron características análogas en su nube de átomos. Imprimieron una onda de sonido en su nube:regiones alternas de más átomos y menos átomos alrededor del anillo, como una ola en el universo primitivo, y la vio dispersarse durante la expansión. Como era de esperar, la onda de sonido se estiró, pero su amplitud también disminuyó. Las matemáticas revelaron que esta amortiguación se parecía a la fricción de Hubble, y el comportamiento se capturó bien mediante cálculos y simulaciones numéricas.

"Es como si estuviéramos golpeando el BEC con un martillo, "dice Gretchen Campbell, el codirector del NIST del Joint Quantum Institute (JQI) y coautor del artículo, "y es un poco impactante para mí que estas simulaciones reproduzcan tan bien lo que está sucediendo".

En una segunda serie de experimentos, el equipo destapó otro, analogía más especulativa. Para estas pruebas dejaron el BEC libre de ondas sonoras pero provocaron la misma expansión, viendo el BEC chapotear hacia adelante y hacia atrás hasta que se relajó.

En cierto sentido, esa relajación también se parecía a la inflación. Parte de la energía que impulsó la expansión del universo terminó creando toda la materia y la luz que nos rodea. Y aunque hay muchas teorías sobre cómo sucedió esto, Los cosmólogos no están exactamente seguros de cómo esa energía sobrante se convirtió en todo lo que vemos hoy.

En el BEC, la energía de la expansión se transfirió rápidamente a cosas como ondas sonoras que viajan alrededor del anillo. Algunas suposiciones iniciales de por qué estaba sucediendo esto parecían prometedoras, pero no lograron predecir con precisión la transferencia de energía. Entonces, el equipo recurrió a simulaciones numéricas que podrían capturar una imagen más completa de la física.

Lo que surgió fue una explicación complicada de la conversión de energía:después de que se detuvo la expansión, átomos en el borde exterior del anillo golpean su nuevo, límite expandido y se reflejó hacia el centro de la nube. Allí, interfirieron con los átomos que aún viajaban hacia afuera, creando una zona en el medio donde casi ningún átomo podría vivir. Los átomos a ambos lados de esta área inhóspita tenían propiedades cuánticas no coincidentes, como dos relojes vecinos que no están sincronizados.

La situación era muy inestable y finalmente colapsó. lo que lleva a la creación de vórtices en toda la nube. Estos vórtices o pequeños remolinos cuánticos, se rompería y generaría ondas de sonido que corrían alrededor del anillo, como las partículas y la radiación que quedan después del inflado. Algunos vórtices incluso escaparon del borde del BEC, creando un desequilibrio que dejó a la nube girando.

A diferencia de la analogía con la fricción de Hubble, la complicada historia de cómo los átomos chapoteando pueden crear docenas de remolinos cuánticos puede no tener semejanza con lo que sucede durante y después de la inflación. Pero Ted Jacobson, coautor del nuevo artículo y profesor de física en la Universidad de Maryland especializado en agujeros negros, dice que su interacción con los físicos atómicos produjo beneficios fuera de estos resultados técnicos.

"Lo que aprendí de ellos, y de pensar tanto en un experimento como ese, son nuevas formas de pensar sobre el problema de la cosmología, "Dice Jacobson." Y aprendieron a pensar en aspectos del BEC en los que nunca antes habrían pensado. Queda por ver si son útiles o importantes, pero sin duda fue estimulante ".

Eckel se hace eco del mismo pensamiento. "Ted me hizo pensar en los procesos en BEC de manera diferente, " él dice, "y cada vez que aborde un problema y pueda verlo desde una perspectiva diferente, le da una mejor oportunidad de resolver ese problema ".

Los experimentos futuros pueden estudiar más de cerca la complicada transferencia de energía durante la expansión, o incluso buscar más analogías cosmológicas. "Lo bueno es que a partir de estos resultados, ahora sabemos cómo diseñar experimentos en el futuro para enfocar los diferentes efectos que esperamos ver, "Dice Campbell." Y a medida que los teóricos proponen modelos, nos da un banco de pruebas donde realmente podríamos estudiar esos modelos y ver qué sucede ".