En el sótano del Kirchhoff-Institut für Physik de Alemania, los investigadores simulan el Universo tal como podría haber existido poco después del Big Bang. Han creado 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 mantiene 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 muestra que es posible simular un Universo con una curvatura diferente. En un universo con curva positiva, si viajas en cualquier dirección en línea recta, volverás al punto de partida. En un universo con curvatura negativa, el espacio se curva 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 haber tenido una curvatura más positiva o negativa.
alrededor de la curva
«Si tienes una esfera que es realmente enorme, como la Tierra o algo así, si ves sólo una pequeña parte de ella, no sabes: ¿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 expresa es que, por lo que 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”, que se publicó en Nature en noviembre de 2022. Colaboró con científicos de Bélgica, España y Alemania. El equipo estudió tres posibles escenarios para la expansión temprana del Universo: constante, acelerada y desacelerada.
El experimento de mesa implicó colocar el 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 comunicado de prensa 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 mecánico cuántico que se conoce 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. “Luego, el equipo busca pequeñas perturbaciones de [the] condensar. Así que puedes imaginarlo como pequeñas ondas de fluctuaciones de densidad. Estos se rigen por la mecánica cuántica”.
“Obviamente, una sola ejecución de nuestro experimento termina con la toma de una fotografía”, dijo Sparn. “Así que brillamos con 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 ha habido átomos. Podemos extraer la densidad de los átomos de eso. Entonces 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 combinaron 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 sale del centro de la configuración experimental. Simularon una curvatura negativa disminuyéndola.
«Demostramos que es posible simular espacios-tiempo 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».
Durante 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
Kat federico es un ex ingeniero mecánico que comenzó estudiando matemáticas aplicadas, ingeniería y física en la Universidad de Wisconsin-Madison. Ha completado una licenciatura centrada en periodismo científico y ambiental y ha editado siete publicaciones de noticias, dos de las cuales fue cofundadora. Es la editora en jefe de la revista de energía Solar Today.