¿Pueden los condensados de Bose-Einstein simular la inflación cósmica?
28 de diciembre de 2017
Rodando cuesta abajo: ilustración de una transición de fase cuántica coherente
La inflación cosmológica, propuesta por primera vez por Alan Guthen 1979, describe un período hipotético en el que el Universo temprano se expandió más rápido que la velocidad de la luz. El modelo, que responde preguntas fundamentales sobre la formación del Universo que conocemos hoy en día, se ha convertido en el centro de la cosmología moderna, pero muchos detalles siguen siendo inciertos. Ahora los físicos atómicos en los EE. UU. Han desarrollado un análogo de laboratorio al agitar un condensado de Bose-Einstein (BEC). Los resultados iniciales del equipo sugieren que el Universo puede haber permanecido cuántico coherente a lo largo de la inflación y más allá. Los investigadores esperan que su modelo de condensado pueda proporcionar más información sobre la inflación en un sistema más accesible, sin embargo, no todos están de acuerdo en su utilidad.
La inestabilidad dinámica ocurre en todo tipo de sistemas físicos que están fuera de equilibrio. Una pelota encaramada en la cima de una colina, por ejemplo, puede quedarse quieta por poco tiempo. Pero la más mínima perturbación hará que la bola caiga hacia un estado de menor energía en la parte inferior de la colina. Guth se dio cuenta de que un período de expansión muy corto y muy rápido podría ocurrir si el Universo se saliera del equilibrio alrededor de 10 -35 s después del Big Bang, causando que se expandiera por un factor de alrededor de 10 26 en una pequeña fracción de segundo . Los detalles del modelo inflacionario han sido revisados muchas veces, y quedan numerosas preguntas. "Aquí es donde puedo contribuir, a pesar de que no soy un cosmólogo", dice Cheng Chin. de la Universidad de Chicago en Illinois: "Tenemos un solo Universo, por lo que es muy difícil decir si nuestras teorías realmente capturan toda la física ya que no podemos repetir el experimento".
Muevelo
Chin y sus colegas crearon su sistema modelo al enfriar 30,000 átomos en una trampa óptica en un BEC, en el cual todos los átomos ocupan un solo estado cuántico. Inicialmente, este BEC estaba sentado en el centro de la trampa. Luego, los investigadores comenzaron a sacudir el condensado moviendo el potencial de captura de lado a lado con una amplitud creciente. Esto elevó la energía del estado en el que el condensado estaba estacionario en relación con el potencial de atrapamiento. Cuando la amplitud de vibración se incrementó más allá de un valor crítico, la energía de este estado "estacionario" se volvió más alta que la energía de otros dos estados con el condensado oscilando en direcciones opuestas dentro de la trampa. Por lo tanto, el condensado se sometió a una transición de fase dinámica, dividiéndose en dos partes, cada una de las cuales ingresó a uno de estos dos estados de momento.
Entre 20-30 ms después de la transición de fase, los investigadores vieron un claro patrón de interferencia en la densidad del condensado. Esto muestra, dice Chin, que el condensado había sufrido una separación coherente cuántica, con cada átomo entrando en una superposición de ambos estados de momento. Después de esto, el claro patrón de interferencia se extinguió. Este último período corresponde, dice Chin, al período de relajación cosmológica en el cual, después de que la inflación había terminado, diferentes partes del Universo se relajaron a sus nuevos estados fundamentales. Un análisis más detallado del condensado en esta fase mostró que, aunque su dinámica cuántica era más complicada, con armónicos más altos de las frecuencias de oscilación cada vez más prominentes, las observaciones de los investigadores no podían describirse de manera clásica.
Chin dice que los cosmólogos pueden encontrar esta observación interesante. Aunque "en principio, todo es mecánico cuántico", explica, la imposibilidad práctica de realizar una simulación cuántica completa del Universo a medida que crece su complejidad lleva a los cosmólogos a recurrir a modelos clásicos. "El valor de nuestra investigación es intentar señalar que no debemos abandonar [la simulación cuántica] tan temprano", dice. "Incluso en la inflación y el posterior proceso de relajación, tenemos un ejemplo concreto para mostrar que la mecánica cuántica y la coherencia todavía juegan un papel muy esencial".
¿Reclamaciones infladas?
James Anglin de la Universidad de Kaiserslautern en Alemania está impresionado por la investigación. "Comprender qué sucede con las pequeñas fluctuaciones cuánticas iniciales después de que se ha saturado una gran inestabilidad es una cuestión importante y básica en física, y realmente es una pregunta especialmente relevante para la cosmología", explica. "La gran diferencia, por supuesto, es que el escenario de inflación cósmica incluye la gravedad como espacio-tiempo curvo en la relatividad general, de modo que el espacio se expande enormemente mientras que el campo inflaton [el campo pensado para impulsar la inflación] encuentra su verdadero estado fundamental. dicen que este experimento es un análogo perfecto para la inflación cosmológica, excepto por la parte de la inflación ".
"Este es realmente un buen trabajo", concluye: "¡El lenguaje está simplemente un poco inflado!" La investigación se describe en Nature Physics .
28 de diciembre de 2017
Rodando cuesta abajo: ilustración de una transición de fase cuántica coherente
La inflación cosmológica, propuesta por primera vez por Alan Guthen 1979, describe un período hipotético en el que el Universo temprano se expandió más rápido que la velocidad de la luz. El modelo, que responde preguntas fundamentales sobre la formación del Universo que conocemos hoy en día, se ha convertido en el centro de la cosmología moderna, pero muchos detalles siguen siendo inciertos. Ahora los físicos atómicos en los EE. UU. Han desarrollado un análogo de laboratorio al agitar un condensado de Bose-Einstein (BEC). Los resultados iniciales del equipo sugieren que el Universo puede haber permanecido cuántico coherente a lo largo de la inflación y más allá. Los investigadores esperan que su modelo de condensado pueda proporcionar más información sobre la inflación en un sistema más accesible, sin embargo, no todos están de acuerdo en su utilidad.
La inestabilidad dinámica ocurre en todo tipo de sistemas físicos que están fuera de equilibrio. Una pelota encaramada en la cima de una colina, por ejemplo, puede quedarse quieta por poco tiempo. Pero la más mínima perturbación hará que la bola caiga hacia un estado de menor energía en la parte inferior de la colina. Guth se dio cuenta de que un período de expansión muy corto y muy rápido podría ocurrir si el Universo se saliera del equilibrio alrededor de 10 -35 s después del Big Bang, causando que se expandiera por un factor de alrededor de 10 26 en una pequeña fracción de segundo . Los detalles del modelo inflacionario han sido revisados muchas veces, y quedan numerosas preguntas. "Aquí es donde puedo contribuir, a pesar de que no soy un cosmólogo", dice Cheng Chin. de la Universidad de Chicago en Illinois: "Tenemos un solo Universo, por lo que es muy difícil decir si nuestras teorías realmente capturan toda la física ya que no podemos repetir el experimento".
Muevelo
Chin y sus colegas crearon su sistema modelo al enfriar 30,000 átomos en una trampa óptica en un BEC, en el cual todos los átomos ocupan un solo estado cuántico. Inicialmente, este BEC estaba sentado en el centro de la trampa. Luego, los investigadores comenzaron a sacudir el condensado moviendo el potencial de captura de lado a lado con una amplitud creciente. Esto elevó la energía del estado en el que el condensado estaba estacionario en relación con el potencial de atrapamiento. Cuando la amplitud de vibración se incrementó más allá de un valor crítico, la energía de este estado "estacionario" se volvió más alta que la energía de otros dos estados con el condensado oscilando en direcciones opuestas dentro de la trampa. Por lo tanto, el condensado se sometió a una transición de fase dinámica, dividiéndose en dos partes, cada una de las cuales ingresó a uno de estos dos estados de momento.
Entre 20-30 ms después de la transición de fase, los investigadores vieron un claro patrón de interferencia en la densidad del condensado. Esto muestra, dice Chin, que el condensado había sufrido una separación coherente cuántica, con cada átomo entrando en una superposición de ambos estados de momento. Después de esto, el claro patrón de interferencia se extinguió. Este último período corresponde, dice Chin, al período de relajación cosmológica en el cual, después de que la inflación había terminado, diferentes partes del Universo se relajaron a sus nuevos estados fundamentales. Un análisis más detallado del condensado en esta fase mostró que, aunque su dinámica cuántica era más complicada, con armónicos más altos de las frecuencias de oscilación cada vez más prominentes, las observaciones de los investigadores no podían describirse de manera clásica.
Chin dice que los cosmólogos pueden encontrar esta observación interesante. Aunque "en principio, todo es mecánico cuántico", explica, la imposibilidad práctica de realizar una simulación cuántica completa del Universo a medida que crece su complejidad lleva a los cosmólogos a recurrir a modelos clásicos. "El valor de nuestra investigación es intentar señalar que no debemos abandonar [la simulación cuántica] tan temprano", dice. "Incluso en la inflación y el posterior proceso de relajación, tenemos un ejemplo concreto para mostrar que la mecánica cuántica y la coherencia todavía juegan un papel muy esencial".
¿Reclamaciones infladas?
James Anglin de la Universidad de Kaiserslautern en Alemania está impresionado por la investigación. "Comprender qué sucede con las pequeñas fluctuaciones cuánticas iniciales después de que se ha saturado una gran inestabilidad es una cuestión importante y básica en física, y realmente es una pregunta especialmente relevante para la cosmología", explica. "La gran diferencia, por supuesto, es que el escenario de inflación cósmica incluye la gravedad como espacio-tiempo curvo en la relatividad general, de modo que el espacio se expande enormemente mientras que el campo inflaton [el campo pensado para impulsar la inflación] encuentra su verdadero estado fundamental. dicen que este experimento es un análogo perfecto para la inflación cosmológica, excepto por la parte de la inflación ".
"Este es realmente un buen trabajo", concluye: "¡El lenguaje está simplemente un poco inflado!" La investigación se describe en Nature Physics .