Фізики з університету Меріленду змоделювали інфляційне розширення Всесвіту за допомогою бозе-конденсату атомів натрію-23, охолоджених до температури близько 50 нанокельвінів і спійманих у лазерну оптичну пастку. У такій системі вченим вдалося побачити не тільки червоне зміщення довжини хвилі фононів, але і вплив хабблівського тертя, а також подальше за інфляцією народження частинок і розігрівання. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє.
За сучасними уявленнями, наш Всесвіт на самому початку існування пережив короткий, але дуже важливий період інфляції. За цей час, що тривав близько 10-32 секунд, просторові розміри Всесвіту і квантових флуктуацій в ньому збільшилися не менш ніж в 1026 разів, що призвело до спостережуваної зараз великомасштабної ізотропності і однорідності Всесвіту, а також зробив наш простір-час практично плоским. З іншого боку, ці флуктуації не зникли повністю, що дозволило сформуватися в майбутньому більш дрібним структурам, таким як зірки і галактики. Після завершення інфляції розпад інфлатонного поля заповнив Всесвіт частинками Стандартної моделі і розігрів її до величезних температур (цей процес так і називають - «розігрівання», reheating).
Всесвіт продовжив розширюватися і після Великого вибуху, хоча темп цього розширення знизився. Крім того, в даний час розширення проявляється тільки на масштабах скупчень галактик і вище, оскільки на менших масштабах об'єкти пов'язані між собою гравітацією. Тому єдиним надійним свідченням на користь розширення Всесвіту є космологічне червоне зміщення, яке призводить до збільшення довжини хвилі, тобто зменшення енергії світла, що приходить від далеких об'єктів. Чим далі знаходиться об'єкт, тим довше до нас йшло його світло, і тим більше його червоне зміщення. Так, момент Великого вибуху теоретично повинен мати червоне зміщення = ^.
Група фізиків з університету Меріленда під керівництвом Гретхен Кемпбелл (Gretchen Campbell) експериментально змоделювала розширення Всесвіту за допомогою конденсату Бозе-Ейнштейна і побачила в ньому процеси, що нагадують космологічну інфляцію. Для цього вчені охолодили кілька сотень тисяч атомів натрію-23 до температури близько 50 нанокельвінів, а потім сформували з них плоске одномірне кільце за допомогою лазерної оптичної пастки. Подібно до того, як порожній Всесвіт заповнений вакуумом для різних частинок, наприклад, фотонів, конденсат Бозе-Ейнштейна при нульовій температурі служить вакуумом для квазічастинок-фононів; аналогом швидкості світла в даному випадку виступає швидкість звуку. Тому дослідники «розтягували» кільце протягом короткого проміжку часу (близько двадцяти мілісекунд) зі швидкістю в 1,3раза більше швидкості звуку, щоб змоделювати інфляційне розширення. Крім того, фізики чисельно змоделювали динаміку системи, використовую рівняння Гросса-Пітаєвського, і переконалися, що експеримент збігається з теорією.
Виявилося, що фонони в такій системі відчувають червоне зміщення, що нагадує космологічне червоне зміщення фотонів - довжина хвилі квазічастинок зменшується рівно в стільки ж разів, у скільки збільшується радіус кільця. Більш того, вчені помітили, що число фононів із занадто великою довжиною хвилі сильно зменшується після розширення - це нагадує «хаббловське тертя» (Hubble friction) з космології, яке пригнічує поля з частотою менш ≲ ȧ/a, де a - це масштабний фактор. Тим не менш, автори відзначають, що крім «хабблівського тертя» в бозі-конденсаті за загасання відповідають і інші фактори, такі як ненульова товщина кільця і відсутність азимутальної симетрії (тобто симетрії щодо повороту кільця на довільний кут).
Крім того, коли розширення бозе-конденсату припиняється, радіальна мода коливань зникає, і її енергія народжує так звані «темні солітони». Такі квазічастинки нестабільні і швидко розпадаються на «вихорові діполі», тобто пари близько розташованих вихорів і антивихрів. Частина діполів рекомбінує, народжує безліч низькоенергетичних фононів і розігріває конденсат, а інші діполі розділяються і створюють в кільці постійний струм, який змінює його топологічне число (winding number). На жаль, безпосередньо спостерігати народження солітонів вченим не вдалося, проте наслідки розігрівання вони вхопили за допомогою структурних факторів, які характеризують міру просторової впорядкованості фононів із заданою довжиною хвилі. Дослідники підкреслюють, що розігрівання конденсату пов'язане не з космологічними горизонтами, що виникають через надсвітове розширення, а з розпадом квазічастинок, і нагадує стадію, що передує «розігріванню» Всесвіту після інфляції.
Бозе-конденсати охолоджених до низької температури атомів часто використовують для моделювання систем, які неможливо або дуже складно вивчати безпосередньо - наприклад, надплинних рідин або надпровідників. За їх допомогою можна дослідити випромінювання Гокінга на тлі чорної діри або динамічний ефект Казимира. Крім того, в 2017 році фізики змоделювали за допомогою бозе-конденсату холодних атомів рубідію одномірну рідину Латтінжера, а також навчилися одночасно збуджувати хіггсовську і голдстоунівську моду коливань.
Для дослідження складних систем можна використовувати не тільки бозе-конденсати, а й інших спрощені моделі. Наприклад, у серпні 2016 року фізик з Ізраїльського технологічного інституту створив акустичний аналог чорної діри і побачив, як на спеціальному кордоні, за який не можуть поширюватися коливання матерії, народжуються пари квантів коливань, що рухаються в різні боки. На сьогоднішній день ця модель є одним з найбільш достовірних аналогів випромінювання Хокінга.