In het laboratorium is de vorming van deeltjes door de oerknal nagebootst

Waar komt materie en kosmische straling vandaan? Natuurkundigen hebben daar al sinds het begin van de jaren zestig ideeën over, en die ideeën staan ​​niet los van de straling van zwarte gaten. Bepaalde filamenten, afkomstig uit de kwantumveldentheorie in gekromde ruimte-tijd, zijn zojuist getest op kosmologie met behulp van een Bose-Einstein-condensor in het laboratorium op aarde.

theorie de grote explosiede grote explosie Het is de laatste prestatie van het begin van st^e eeuw. Maar dit is waar als de oerknaltheorie de theorie betekent dat het waarneembare heelal, wat niet alles betekent dat bestaat, zich in een dichtere en hetere toestand bevond, zonder atomen en sterrensterren, zeg tussen 10 en 20 miljard jaar geleden. Dus ons zichtbare universum kan alleen een gebied van a zijn UniversumUniversum Oneindig in de ruimte en in een tijd waarin de zwaartekracht op een dag instortte, zoals een ster die aanleiding gaf tot een zwart gat, voordat hij terugkaatste in een stadium van expansie na het bereiken van een limiet maar een eindige dichtheid.

Men kan in ieder geval de vraag stellen naar de herkomst kwestiekwestie En het licht van de kosmische straling die we om ons heen waarnemen. ontwikkelingen KwantummechanicaKwantummechanica en in het bijzonder de kwantumveldentheorie van de jaren 1925 tot 1935 maakt het mogelijk om processen voor te stellen, niet alleen voor het creëren van quanta van licht maar ook van quanta van materie, elektronenelektronen atomen en subatomische deeltjessubatomische deeltjes vorming protonenprotonen en de neutronenneutronen Zijn dan neven fotonenfotonen.

U kunt deze processen gebruiken als onderdeel van KosmologieKosmologie Einsteins relativisme verklaart de oorsprong van materie?

Het creëren van materie geproduceerd door dynamische ruimtetijden

Het antwoord is ja en paradoxaal genoeg, terwijl dit in werkelijkheid processen zijn die worden beschreven door de kwantumveldentheorie in ruimte tijdruimte tijd Niet-gekwantificeerde curve, dat weten we al sinds de jaren zestig Stephan HawkingStephan Hawking Deze theorie was aan het begin van het decennium na de ontdekking van deeltjesproductie nog niet gebruikt zwarte gatenzwarte gaten Nu draagt ​​het zijn naam onder de titel Hawking-straling.

De ontdekking van de kwantumcreatie van deeltjes in de kosmologie hebben we te danken aan een Amerikaanse natuurkundige die in 1962 aan deze kwestie begon te werken in zijn proefschrift onder leiding van de legendarische Sidney Coleman (Zie over dit onderwerp het artikel van Futura over het nieuwste boek van Jean-Pierre Luminet over zwarte gaten). De natuurkundige in kwestie werd gebeld Leonard Parker En je kunt verder zoeken arXivEn de In interviewformaat, wat een geweldige date is Kwantumtheorie van deeltjes in gekromde ruimte-tijd. We leren bijvoorbeeld dat de eerste kwantumberekeningen van deze effecten dateren uit 1939 en dat we ze veel te danken hebben… Erwin Schrödinger !

Leonard Parker legt daar ook uit dat hij enige tijd na het behalen van zijn proefschrift met Fred Hoyle sprak over zijn ontdekking van deeltjesproductie door ruimte-tijdexpansie beschreven door de beroemde familie van oplossingen vergelijkingenvergelijkingen Van Einstein Friedman-Lemaitre-Robertson-Walker (FLRW) Kosmologische modellen symmetrischsymmetrisch en homogeen (en dus identiek lijken voor elke waarnemer overal en kijkend in verschillende richtingen met betrekking tot in het bijzonder de gemiddelde deeltjesdichtheid en SnelheidSnelheid expansie op een bepaald punt in de geschiedenis van het zichtbare heelal).

Fred Hoyle, destijds misschien wel de beste Britse kosmoloog achter Stephen Hawking wiens ster net begon te schijnen, was vooral bekend als auteur in 1948, samen met de inmiddels overleden Hermann Bondy en Thomas Gould. Vast kosmisch modeleen model dat de oerknaltheorie van Lemaître en Gamow ontkent.

Hoyle, Bondi en Gould stelden dit model voor, dat toen de kosmologie domineerde voordat het werd ontdekt QuasarsQuasars en vooral door fossiele straling, dat het universum oneindig was in tijd en ruimte, hoewel het zich paradoxaal genoeg uitbreidde. Het was dus perfect homogeen in ruimte en tijd, want ongeacht waar of wanneer de waarnemer metingen om hem heen deed, hij zag gemiddeld altijd dezelfde dingen, zonder evolutie sterrenstelselssterrenstelsels Of echt opvallende dingen.

maar daarvoor Hoyle moet hebben aangenomen dat de voortdurende creatie van materie moet plaatsvinden, resulterend in de geboorte van sterrenstelsels op een lijn. Zonder deze aanname zou het universum steeds ijler worden naarmate het uitdijde.

Hoyle ontwikkelde enkele vergelijkingen om bepaalde aspecten van deze creatie van materie te verklaren, maar ze waren nogal rudimentair. Het werk van Parker gaf een nauwkeurigere beschrijving en, zoals hij aan Hoyle uitlegde, was het helaas niet mogelijk om voldoende materiaal te creëren met een afgemeten uitzettingssnelheid. Maar alles veranderde met een veel snellere oorspronkelijke expansiefase.

Kwantumveldentheorie in gekromde ruimte-tijd zou zich in de jaren zeventig snel ontwikkelen onder impuls van veel onderzoekers in zowel Engeland als Rusland, natuurlijk voor de kosmologie, maar vooral vanwege de ontdekking van Hawking-straling. De tweede impuls komt in het begin van de jaren tachtig met de ontdekking van de theorie van de kosmische inflatie, die het mogelijk zal maken een scenario te ontwikkelen voor het ontstaan ​​van de materie die vandaag het zichtbare universum vormt en ook zal leiden tot een voorspelling van de productie van gravitonen in het algemeen.zwaartekracht golvenzwaartekracht golvendoor de verbazingwekkend snelle expansiefase van de vroege geschiedenis van het universum in de inflatietheorie.

Deze zwaartekrachtgolven zouden sporen kunnen achterlaten die tegenwoordig in fossiele straling kunnen worden waargenomen.

Zouden we de mechanismen van deeltjesproductie kunnen testen als gevolg van de uitbreiding van het universum die Parker en collega’s later voorstelden?

Ruimte-tijdsimulators met Bose-Einstein-condensaten

Direct lijkt het er niet op, maar net als in het geval van indirecte tests van Hawking-straling toonde de Canadese natuurkundige William Unruh, ontdekker van een radioactief neefje van zwarte gaten sindsdien het “Unruh-effect” genoemd, begin jaren tachtig aan dat de vergelijkingen van kwantumveldentheorie in gekromde ruimte-tijd hebben analogieën met fenomenen in vloeistoffen, en dus kan men de ideeën en berekeningen in een laboratorium testen en er niet in slagen deeltjes in ruimte-tijd te reproduceren vanuit de relativiteitstheorie.

In feite zijn we al meer dan een decennium bezig met het lab, in het bijzonder met zogenaamde sonische zwarte gaten, Niet alleen isotopen van Hawking-straling maar ookUnruh-effect. Beroemde voorbeelden worden verkregen in Bose-Einstein-condensaten. Dus we zouden niet verrast zijn door een recente release in natuur, die gratis te vinden is op arXivEn de Door een doorbraak op dit gebied nauwkeurig te rapporteren, kan de samenstelling van deeltjes nu in de kosmologie worden onderzocht.

Het artikel gaat over het werk dat hij deed Markus Oberthaler van de Universiteit van Heidelberg, Duitsland, die samen met collega’s Hij begon met het verkrijgen van ongeveer 20.000 ultrakoude atomen potassiumpotassium 39 gebruiken laserlaser om het te vertragen en de temperatuur te verlagen tot ongeveer 60 nanokelvin, of 60 delen per miljardste van een graad KelvinKelvin boven het absolute nulpunt.

Deze atomen worden vervolgens onderworpen OvergangsfaseOvergangsfase Waardoor ze zich nauwkeuriger gedragen als een enkele kwantumgolf Een Bose-Einstein condensor. Het is mogelijk om deze groep atomen zodanig te manipuleren dat er processen ontstaan ​​die worden beschreven door vergelijkingen die vergelijkbaar zijn met die voor de vorming van kwantumdeeltjes door een gekromde ruimte-tijd van de zich uitbreidende FLRW-familie, nauwkeuriger gezegd een oneindige hoeveelheid ruimte en tijd van de hyperbolische soort om de termen van te gebruiken natuurkundigennatuurkundigen Relativiteit.

Natuurlijk is de condensator BE niet oneindig, maar een deel ervan wordt beschreven door vergelijkingen die verband houden met de zgn Poincare-tablet, dat wil zeggen een reeks punten in een schijf met betrekking tot een wiskundige transformatie met hyperbolische meetkundige ruimtepunten. Er is dus een soort woordenboek tussen de twee ruimten, dat we met elkaar kunnen bestuderen wat ons in staat stelt om kwantumveldentheorie in gekromde ruimte-tijd in hyperbolische ruimte nauwkeurig te vertalen naar een kwantumtheorie met behulp van geluidsgolvengeluidsgolven kwantumbevattende neven van fotonen, fononen.

Daarbij hebben onderzoekers zojuist het eerste experiment uitgevoerd met extreem koude atomen om een ​​gebogen, uitdijend universum te simuleren. Vervolgens creëert de blootstelling van akoestische kwantumgolven in een analoge BE-condensator, voorspeld door het werk van Parker en collega’s, deeltjesparen, wat het vertrouwen in de theorie van kwantumvelden in gekromde ruimte-tijd vergroot.

Als bonus hebben we nu een lab om de onbekende gevolgen van de vergelijkingen van deze theorie te onderzoeken die we nog niet in de vergelijkingen hebben kunnen achterhalen door middel van rekenkunde en gevolgtrekking.