物理学家成功地模拟了早期宇宙的演化

左图显示了在实验开始时模拟大爆炸后宇宙演化的原子密度。在此图像中，红色占优势表示在实验开始时真空室内超冷原子的中心密度更高。原子的红云大约为10微米乘10微米，比人类头发的直径还小。在模拟大爆炸后的80毫秒内，原子在实验真空室内的集中度大大降低，如密度图中从红色到黄色，绿色，蓝色和紫色的颜色渐变所示（如右图所示）。洪震龙的插图

在真空室中使用超冷铯原子，科学家成功地模拟了早期宇宙的演化。

物理学家在芝加哥大学的真空室内使用超冷铯原子，在大爆炸的实验室模拟中重现了类似于宇宙微波背景辐射的图案。

“这是第一次这样的实验模拟了早期宇宙中结构的演化，”物理学教授程钦说。Chin和他的同事在8月1日的《科学快报》中报道了他们的壮举，并将很快出现在《科学》的印刷版中。

Chin与主要作者，现在加利福尼亚理工学院的Hung-Lung Hung博士11以及科罗拉多大学博尔德分校的Victor Gurarie共同推动了该项目的发展。他们的目标是利用超冷原子模拟宇宙大爆炸，以更好地了解婴儿宇宙中的结构如何演化。

宇宙微波背景是大爆炸的回声。CMB的广泛测量来自1990年代的轨道宇宙背景探测器，后来由威尔金森微波各向异性探测器和各种地面观测站进行，包括由UChicago牵头的南极望远镜合作进行。这些工具为宇宙学家提供了有关大爆炸后大约380,000年宇宙如何出现的快照，这标志着我们宇宙的开始。

事实证明，在某些条件下，在真空室中被冷却至比绝对零（-459.67华氏度）高十亿分之一度的原子云显示出与大爆炸后展开的现象相似的现象。

“在这种超冷温度下，原子共同激发。它们的行为就像空气中的声波一样。”他说。如COBE，WMAP和其他实验所揭示的，在很早的宇宙中就存在着密集的物质和辐射，它们产生了相似的声波激发。

声波的同步产生与宇宙学家对早期宇宙膨胀的推测有关。洪说：“通货膨胀为早期宇宙创造了在由物质和辐射形成的宇宙流体中产生相似声波的初始条件。”

大爆炸的涟漪回响

宇宙在通货膨胀时期的突然膨胀在大爆炸的回声中造成了时空的涟漪。钦说，人们可以简单地将“大爆炸”视为爆炸，产生声音。声波开始互相干扰，形成复杂的图案。他说：“这就是我们在宇宙中看到的复杂性的根源。”

这些激发称为Sakharov声振荡，以俄罗斯物理学家Andrei Sakharov的名字命名，他在1960年代描述了这种现象。为了产生Sakharov振荡，Chin的小组将10,000左右的铯原子的平整，光滑的云冷却到了绝对零以上的十亿分之一度，从而形成了一种被称为二维原子超流体的奇异状态。

然后，他们启动了淬灭过程，该过程控制了云原子之间相互作用的强度。他们发现，通过突然使相互作用变弱或增强，它们可能会产生Sakharov振荡。

在Chin的实验室中模拟的宇宙直径不超过70微米，大约相当于人发的直径。Chin解释说：“事实证明，相同的物理学可以在千差万别的长度尺度上发生。”“这就是物理学的力量。”

目的是更好地了解婴儿宇宙的宇宙演化，这是在大爆炸之后不久就存在的宇宙。它比今天小得多，到今天离开宇宙学家在天空中观察到的CMB模式时，直径才达到十万光年。

最后，重要的不是模拟或真实宇宙的绝对大小，而是它们与控制萨哈罗夫振荡物理学的特征长度尺度的比率。“当然，在这里，我们将这种比喻推向了极端，” Chin说。

科学家从轨道威尔金森微波各向异性探测器获得的九年数据中，绘制了这张婴儿宇宙的详尽而全天候的照片。该图像揭示了137.7亿年前的温度波动（显示为颜色差异），其与成长为星系的种子相对应。现在，物理学家正在真空室中使用超冷原子云，以模拟早期宇宙中结构的生长。NASA / WMAP科学团队的插图

380,000年与10毫秒

Chin表示：“整个宇宙大约需要38万年的时间才能发展成为我们目前所关注的CMB频谱。”但是物理学家在他们的实验中能够在大约10毫秒内重现相同的模式。Chin说：“这说明了为什么基于冷原子的模拟可以成为功能强大的工具。”

《科学》杂志的合著者都不是宇宙学家，但是他们在开发实验和解释实验结果的过程中咨询了几位。合著者特别借鉴了芝加哥的Wayne Hu，John Carlstrom和Michael Turner以及斯坦福大学的Chao-Lin Kuo的专业知识。

洪指出，萨哈罗夫振荡是探测早期宇宙中宇宙流体性质的绝佳工具。“我们正在研究一个二维超流体，它本身是一个非常有趣的对象。我们实际上计划使用这些Sakharov振荡来研究这种二维超流体在不同初始条件下的特性，以获得更多信息。”

研究团队通过快速改变其超冷原子相互作用的强度并产生波纹，来改变其模拟宇宙膨胀历史早期所处的条件。洪说：“这些涟漪然后传播并造成许多波动。”然后，他和他的合著者检查了这些波动的响声。

今天的CMB地图显示了很久以前某个时刻宇宙的快照。Chin说：“从CMB，我们真的看不到那一刻之前发生了什么，也看不到那之后发生了什么。”但是Hung指出：“在我们的仿真中，我们实际上可以监视Sakharov振荡的整个演变。”

Chin和Hung感兴趣的是继续用超冷原子继续这一实验方向，并将其分支到各种其他类型的物理学中，包括模拟星系形成甚至黑洞的动力学。

Chin说：“我们可以潜在地使用原子来模拟和更好地理解自然界中许多有趣的现象。”“对我们来说，原子可以是您希望它们成为的任何事物。”

出版物：洪振龙等，“从宇宙学到冷原子：淬灭原子超流体中萨哈罗夫振荡的观测”，《科学》，2013年； DOI：10.1126 / science.1237557

研究报告的PDF副本：从宇宙学到冷原子：淬灭的原子超流体中Sakharov振荡的观察

图片：洪振龙NASA / WMAP科学团队