超冷原子將揭示早期宇宙的戲劇性膨脹？

對超冷原子進行實驗的研究人員觀察到行為與早期宇宙的快速指數膨脹驚人地相似——宇宙學家稱之為宇宙膨脹時期。超冷原子可以用來模擬複雜的、冷凝物質系統，這些系統很難在實驗中進行研究，比如超固體、超導體甚至是黑洞。因此在新的實驗中，幾十萬個鈉-23原子被冷卻到足夠低的溫度，使原子形成玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)。這是一團奇特的、類似氣體的原子粒子云，其溫度接近絕對零度。研究人員利用激光將雲包裹成甜甜圈形狀，半徑在短短几毫秒內增加了4倍，導致BEC以超音速膨脹。

對膨脹的玻色-愛因斯坦凝聚環的概念圖，圖片：Emily Edwards, Joint Quantum Institute

博科園-科學科普：研究小組成員格雷琴·坎貝爾，馬里蘭大學聯合量子研究所的成員說：宇宙膨脹是我們理解宇宙的核心。在幾組實驗中，研究人員將聲波輸入到他們的雲層中——環周圍的原子越來越多，原子越來越少，以模擬宇宙早期的波動——觀察聲波在膨脹過程中消散。不出意外的是，聲波伸展了，但它的振幅也減小了。這種增長的速度如此之快，以至於雲團一直在嗡嗡作響，在膨脹時期，宇宙尺度上可能也出現了類似的嗡嗡聲。

對這種膨脹的了解僅限於通過觀察能夠學到的東西，因為在實驗室里創造一個宇宙是有點困難的，這是可以理解的。宇宙中一個潛在的實驗室標準是擴展的BEC，這是一種奇異的超古老物質，在那裡原子的波函數會重疊，原子也會像一個原子一樣運動。在快速膨脹期結束後，量子場中包含的能量使膨脹衰減成低能粒子。這進而導致了重新加熱，這是一個重要的過程，可能產生了在宇宙結構形成之前物質的高溫狀態。

探索這些聯繫，發現共同的現象，有一天這種類型的實驗，利用冷原子物理學，可以解開宇宙形成的謎團。在過去十年左右的時間裡，科學家們真的找到了如何精確控制超冷原子的方法，所以把這些原子放在由光構成的阱里，由於實驗室的新技術和發展，能夠很好地控制這些光電勢，這意味著我們可以用它們做很多不同的事情。

圖片：University of Maryland

研究人員將原子物理學和重力方面的專家聚集在一起，研究小組成員稱這證明了BEC作為測試其他物理領域想法的平台通用性。理論計算和我們在實驗室里看到的非常吻合，而且結果也非常完美，這是一件比預期要好得多的事情。這並不是研究人員第一次使用冷原子物理學來研究宇宙學。先前的實驗模擬了黑洞的行為，並提供了一個機會去尋找預測從黑洞陰影邊界湧出的輻射證據。

麻省理工學院的Wolfgang Ketterle是最早的冷原子物理學先驅之一，2001年他在BEC方面的研究為他贏得了諾貝爾物理學獎，對此表示：像最近研究中報道的那樣的研究將會激勵其他人在宇宙尺度上做出一個進展或一個新的預測，推動科學向前發展。顯然有興奮之情，創造了一個新平台，觀察膨脹的玻色-愛因斯坦凝聚體中的膨脹，以及如何利用BEC中的聲波來研究膨脹動力學。

未來的實驗可能更深入地研究膨脹過程中複雜的能量轉移，甚至可能尋找進一步的宇宙學類比。從這些結果中，現在知道如何設計未來的實驗，以針對我們希望看到的不同效果。當理論家們提出模型時，它確實給了我們一個試驗台，可以研究這些模型，看看會發生什麼，該研究發表在《物理評論X》上。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻：《 Physical Review X》｜文：Scott Snowden/Space

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