Pesquisadores simulam uma família inteira de universos com curvatura em gases quânticos ultrafrios – ScienceDaily

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Em um experimento de laboratório, pesquisadores da Universidade de Heidelberg conseguiram criar um espaço-tempo eficaz que pode ser manipulado. Em suas pesquisas sobre gases quânticos ultrafrios, eles conseguiram simular toda uma família de universos curvos para investigar diferentes cenários cosmológicos e compará-los com as previsões de um modelo teórico de campo quântico.

De acordo com a Teoria da Relatividade de Einstein, o espaço e o tempo estão inextricavelmente conectados. Em nosso Universo, cuja curvatura é pouco mensurável, a estrutura desse espaço-tempo é fixa. Em um experimento de laboratório, pesquisadores da Universidade de Heidelberg conseguiram criar um espaço-tempo eficaz que pode ser manipulado. Em suas pesquisas sobre gases quânticos ultrafrios, eles conseguiram simular toda uma família de universos curvos para investigar diferentes cenários cosmológicos e compará-los com as previsões de um modelo teórico de campo quântico. Os resultados da pesquisa foram publicados em Natureza.

O surgimento do espaço e do tempo em escalas de tempo cósmicas desde o Big Bang até o presente é o assunto da pesquisa atual que só pode ser baseada na observação de nosso único Universo. A expansão e a curvatura do espaço são essenciais para os modelos cosmológicos. Em um espaço plano como o nosso Universo atual, a menor distância entre dois pontos é sempre uma linha reta. “É concebível, no entanto, que nosso Universo tenha sido curvo em sua fase inicial. Estudar as consequências de um espaço-tempo curvo é, portanto, uma questão premente na pesquisa”, afirma o Prof. Dr. Markus Oberthaler, pesquisador do Kirchhoff Institute for Physics em Heidelberg Universidade. Com seu grupo de pesquisa “Synthetic Quantum Systems”, desenvolveu um simulador de campo quântico para esse fim.

O simulador de campo quântico criado em laboratório consiste em uma nuvem de átomos de potássio resfriados a apenas alguns nanokelvins acima do zero absoluto. Isso produz um condensado de Bose-Einstein – um estado mecânico quântico especial do gás atômico que é alcançado em temperaturas muito baixas. O Prof. Oberthaler explica que o condensado de Bose-Einstein é um fundo perfeito contra o qual as menores excitações, ou seja, mudanças no estado de energia dos átomos, se tornam visíveis. A forma da nuvem atômica determina a dimensionalidade e as propriedades do espaço-tempo no qual essas excitações viajam como ondas. Em nosso Universo, existem três dimensões de espaço, bem como uma quarta: o tempo.

No experimento conduzido pelos físicos de Heidelberg, os átomos estão presos em uma camada fina. As excitações podem, portanto, propagar-se apenas em duas direções espaciais – o espaço é bidimensional. Ao mesmo tempo, a nuvem atômica nas duas dimensões restantes pode ser moldada de quase qualquer maneira, por meio da qual também é possível realizar espaços-tempos curvos. A interação entre os átomos pode ser ajustada com precisão por um campo magnético, alterando a velocidade de propagação das excitações ondulatórias no condensado de Bose-Einstein.

“Para as ondas no condensado, a velocidade de propagação depende da densidade e da interação dos átomos. Isso nos dá a oportunidade de criar condições como as de um universo em expansão”, explica o Prof. Dr. Stefan Flörchinger. O pesquisador, que trabalhou anteriormente na Universidade de Heidelberg e ingressou na Universidade de Jena no início deste ano, desenvolveu o modelo teórico de campo quântico usado para comparar quantitativamente os resultados experimentais.

Usando o simulador de campo quântico, fenômenos cósmicos, como a produção de partículas com base na expansão do espaço e até mesmo a curvatura do espaço-tempo, podem ser mensuráveis. “Os problemas cosmológicos normalmente ocorrem em escalas inimaginavelmente grandes. Ser capaz de estudá-los especificamente no laboratório abre possibilidades inteiramente novas na pesquisa, permitindo-nos testar experimentalmente novos modelos teóricos”, afirma Celia Viermann, principal autora do “Nature ” artigo. “Estudar a interação do espaço-tempo curvo e dos estados da mecânica quântica no laboratório vai nos ocupar por algum tempo”, diz Markus Oberthaler, cujo grupo de pesquisa também faz parte do STRUCTURES Cluster of Excellence em Ruperto Carola.

O trabalho foi conduzido como parte do Centro de Pesquisa Colaborativa 1225, “Sistemas Quânticos Isolados e Universalidade em Condições Extremas” (ISOQUANT), da Universidade de Heidelberg.

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Materiais fornecido por Universidade de Heidelberg. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.



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