En el sótano del Kirchhoff-Institut für Physik, en Alemania, los investigadores han simulado el Universo tal como podría haber existido poco después del Big Bang. Crearon una simulación de campo cuántico de mesa que implica el uso de imanes y láseres para controlar una muestra de átomos de potasio-39 que se mantienen cerca del cero absoluto. Luego utilizan ecuaciones para traducir los resultados a esta pequeña escala para explorar posibles características del Universo temprano.
El trabajo realizado hasta ahora demuestra que es posible simular un Universo con diferente curvatura. En un universo con curva positiva, si viajas en cualquier dirección en línea recta, regresarás a tu punto de partida. En un universo con curvatura negativa, el espacio se pliega en forma de silla de montar. Actualmente, el Universo es plano o casi plano, según Marius Sparn, estudiante de doctorado en el Kirchhoff-Institut für Physik. Pero al comienzo de su existencia, podría haberse curvado de manera más positiva o negativa.
alrededor de la curva
«Si tienes una esfera que es realmente enorme, como la Tierra o algo así, si solo ves una pequeña parte de ella, ¿no sabes si está cerrada o infinitamente abierta?» dijo Sabine Hossenfelder, miembro del Centro de Filosofía Matemática de Munich. “En realidad, se convierte en una cuestión filosófica. Las únicas cosas que sabemos provienen de la parte del Universo que observamos. Normalmente, la forma en que la gente lo dice es que, hasta donde sabemos, la curvatura en esta parte del Universo es compatible con cero”.
Sparn fue uno de los autores de un artículo de investigación, “Simulador de campo cuántico para dinámica en espacio-tiempo curvo”, publicado en Nature en noviembre de 2022. Colaboró con científicos de Bélgica, España y Alemania. El equipo estudió tres escenarios posibles para la expansión inicial del Universo: constante, acelerada y desacelerada.
El experimento de mesa implicó colocar potasio-39 en una celda de vidrio entre un conjunto de grandes bobinas magnéticas encima y debajo de ella, dijo Sparn. Estas bobinas magnéticas, junto con algunos láseres, se utilizaron para controlar el comportamiento de la muestra. Los átomos quedaron atrapados en una fina capa que puede considerarse bidimensional, según un estudio presione soltar de la Universidad de Heidelberg.
Cuando se enfría a una temperatura de 40 a 60 nanokelvins, dijo Sparn, el potasio-39 entra en un estado de mecánica cuántica conocido como condensado de Bose-Einstein. Los condensados de Bose-Einstein funcionan como una única megapartícula, según Ramon Szmuk, director de producto de Quantum Machines.
«Nuestro condensado de Bose-Einstein es un objeto completamente gobernado por la mecánica cuántica porque trabajamos a temperaturas muy, muy bajas», dijo Sparn. “El equipo busca entonces pequeñas perturbaciones de [the] condensado. Así que puedes imaginar esto como pequeñas ondas de fluctuaciones de densidad. Estos se rigen por la mecánica cuántica”.
“Obviamente, una sola ejecución de nuestro experimento termina con una fotografía”, dijo Sparn. “Luego iluminamos una luz que resuena con una transición atómica de potasio-39 y tomamos imágenes de absorción de la nube. Y en este proceso normalmente destruimos nuestro condensado. Vemos menos luz donde había átomos. Podemos extraer la densidad de los átomos de esto. Por tanto, nuestro resultado final es siempre una imagen de la distribución de densidad de nuestros átomos. Y a partir de ahí podemos hacer análisis estadísticos para obtener más información sobre los resultados”.
Universos alternativos
Los científicos han combinado ecuaciones para el Universo y ecuaciones para el condensado de Bose-Einstein para sacar conclusiones sobre cómo podría haberse comportado el Universo temprano.
Sparn dijo que el equipo simuló una curvatura positiva aumentando la densidad del potasio-39 que salía del centro de la configuración experimental. Simularon una curvatura negativa disminuyéndola.
«Hemos demostrado que es posible simular espacios-tiempos espacialmente curvados y en expansión en un condensado de Bose-Einstein», dijo Sparn. «Esto es lo que se necesita para un universo homogéneo e isotrópico, lo que debería ser una suposición justa a gran escala».
En los últimos años, los científicos han estado utilizando sistemas atómicos cuánticos para encontrar analogías con sistemas complejos en el cosmos, dijo Szmuk. Esto conecta la física atómica y la astrofísica.
Naturaleza, 2023. DOI: 10.1038/s41586-022-05313-9
kate Federico es un ex ingeniero mecánico que comenzó como estudiante de matemáticas aplicadas, ingeniería y física en la Universidad de Wisconsin-Madison. Completó una licenciatura centrada en periodismo científico y ambiental y editó siete publicaciones de noticias, dos de las cuales fue cofundadora. Es editora en jefe de la revista de energía Solar Today.
