Теория относительности Эйнштейна гласит, что пространство и время взаимосвязаны. В нашей Вселенной кривизна пространства-времени относительно мала и постоянна. Однако ученым из Гейдельбергского университета удалось создать лабораторный эксперимент, в котором можно манипулировать структурой пространства-времени. Исследователи смоделировали серию искривленных вселенных, используя ультрахолодные квантовые газы, чтобы изучить различные космологические сценарии. Затем они сравнили эти симуляции с моделями квантовой теории поля. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.

Искривление пространства и времени — это концепция общей теории относительности Эйнштейна, которая описывает, как гравитация влияет на форму Вселенной. Она предполагает, что присутствие материи или энергии во Вселенной заставляет искривлять структуру пространства-времени. Возникновение пространства и времени во временной шкале Вселенной от Большого взрыва до настоящего времени является предметом текущих исследований и может быть основано только на наблюдениях за нашей единственной Вселенной. Расширение и искривление пространства имеют решающее значение для космологических моделей. В плоском пространстве, таком как наша нынешняя Вселенная, кратчайшее расстояние между двумя точками всегда представляет собой прямую линию. Однако вполне возможно, что наша Вселенная была искривлена на ранних стадиях.

«Поэтому изучение последствий искривления пространства-времени является насущной проблемой в исследованиях», — говорит профессор Маркус Оберталер, научный сотрудник Института физики им. Кирхгофа Гейдельбергского университета. Вместе со своей исследовательской группой «Синтетические квантовые системы» он разработал для этой цели симулятор квантового поля.

Симулятор квантового поля, созданный в лаборатории, состоит из облака атомов калия, охлажденного всего до нескольких нанокельвинов выше абсолютного нуля. Это привело к конденсату Бозе-Эйнштейна — особому квантово-механическому состоянию атомарного газа, достигаемому при экстремально низких температурах.

Профессор Оберталер поясняет, что конденсат Бозе-Эйнштейна является идеальным фоном, на котором становятся видны мельчайшие колебания, т. е. изменения энергетических состояний атомов. Форма атомного облака определяет размеры и свойства пространства-времени, и эти возбуждения действуют на него как волны.

В нашей вселенной есть три пространственных измерения, а также четвертое измерение: время. В экспериментах, проведенных гейдельбергскими физиками, атомы были захвачены тонким слоем. В результате волны возбуждения могли распространяться только в двух пространственных направлениях — пространство было двумерно. В то же время атомарные облака в оставшихся двух измерениях могут иметь любую форму, так что искривленное пространство-время также возможно. Взаимодействия между атомами можно точно настроить магнитными полями, изменяя скорость распространения волнообразных возбуждений на конденсатах Бозе-Эйнштейна.

«Для волн на конденсатах скорость распространения зависит от плотности и взаимодействия атомов. Это дает нам возможность создать условия, подобные тем, которые существуют в расширяющейся Вселенной», — объясняет профессор Стефан Флерхингер. Исследователь, который работал в Гейдельбергском университете и присоединился к Йенскому университету в начале этого года, разработал модель квантовой теории поля для количественного сравнения экспериментальных результатов.

«С помощью симулятора квантового поля можно измерить такие космические явления, как образование частиц, основанное на расширении пространства, и даже искривление пространства-времени». Космологические проблемы обычно возникают в невообразимо больших масштабах. Селия Вирманн, ведущий автор статьи в Nature, говорит: «Возможность изучать их конкретно в лаборатории позволяет нам экспериментально проверять новые теоретические модели, открывая тем самым совершенно новые возможности для исследований».