Согласно теории относительности Эйнштейна, пространство и время неразрывно связаны. В нашей Вселенной, кривизна которой едва поддается измерению, структура этого пространства-времени фиксирована. В ходе лабораторного эксперимента исследователям из Гейдельбергского университета удалось создать эффективное пространство-время, которым можно манипулировать. В своих исследованиях ультрахолодных квантовых газов они смогли смоделировать целое семейство искривленных вселенных, чтобы исследовать различные космологические сценарии и сравнить их с предсказаниями теоретической модели квантового поля. Результаты исследования были опубликованы в Природа.

Возникновение пространства и времени в масштабах космического времени от Большого взрыва до настоящего времени является предметом текущих исследований, которые могут быть основаны только на наблюдении за нашей единственной Вселенной. Расширение и искривление пространства имеют важное значение для космологических моделей. В плоском пространстве, подобном нашей нынешней Вселенной, кратчайшее расстояние между двумя точками всегда является прямой линией. "Однако вполне возможно, что наша Вселенная была искривлена на своей ранней стадии. Поэтому изучение последствий искривления пространства-времени является насущным вопросом в исследованиях", - утверждает профессор. Доктор Маркус Оберталер, научный сотрудник Института физики Кирхгофа при Гейдельбергском университете. Со своей исследовательской группой "Синтетические квантовые системы" он разработал для этой цели симулятор квантового поля.

Созданный в лаборатории симулятор квантового поля состоит из облака атомов калия, охлажденного всего до нескольких нанокельвинов выше абсолютного нуля. В результате образуется конденсат Бозе-Эйнштейна - особое квантово-механическое состояние атомарного газа, которое достигается при очень низких температурах. Профессор Оберталер объясняет, что конденсат Бозе-Эйнштейна является идеальным фоном, на котором становятся видны мельчайшие возбуждения, то есть изменения в энергетическом состоянии атомов. Форма атомного облака определяет размерность и свойства пространства-времени, по которому эти возбуждения распространяются подобно волнам. В нашей Вселенной есть три измерения пространства, а также четвертое: время.

В эксперименте, проведенном физиками из Гейдельберга, атомы заключены в тонкий слой. Следовательно, возбуждения могут распространяться только в двух пространственных направлениях - пространство двумерно. В то же время атомное облако в оставшихся двух измерениях может иметь практически любую форму, благодаря чему также возможно реализовать искривленное пространство-время. Взаимодействие между атомами можно точно регулировать с помощью магнитного поля, изменяя скорость распространения волнообразных возбуждений в конденсате Бозе-Эйнштейна.

"Для волн на конденсате скорость распространения зависит от плотности и взаимодействия атомов. Это дает нам возможность создать условия, подобные тем, что существуют в расширяющейся вселенной", - объясняет профессор. Доктор Стефан Флерхингер. Исследователь, который ранее работал в Гейдельбергском университете и присоединился к Йенскому университету в начале этого года, разработал теоретическую модель квантового поля, используемую для количественного сравнения экспериментальных результатов.

Используя симулятор квантового поля, можно измерить космические явления, такие как образование частиц, основанных на расширении пространства, и даже искривление пространства-времени. "Космологические проблемы обычно имеют место в невообразимо больших масштабах. Возможность специально изучать их в лаборатории открывает совершенно новые возможности в исследованиях, позволяя нам экспериментально проверять новые теоретические модели", - утверждает Селия Виерманн, основной автор статьи в журнале Nature. "Изучение взаимодействия искривленного пространства-времени и квантово-механических состояний в лаборатории займет нас еще некоторое время", - говорит Маркус Оберталер, чья исследовательская группа также является частью кластера передового опыта STRUCTURES в Руперто Карола.

Работа была проведена в рамках Совместного исследовательского центра 1225 "Изолированные квантовые системы и универсальность в экстремальных условиях" (ИЗОКВАНТ) Гейдельбергского университета.