En un experimento de laboratorio, investigadores de la Universidad de Heidelberg lograron realizar un espacio-tiempo efectivo que puede manipularse. En su investigación sobre gases cuánticos ultrafríos, pudieron simular toda una familia de universos curvos para investigar diferentes escenarios cosmológicos y compararlos con las predicciones de un modelo teórico de campo cuántico.
De acuerdo con la Teoría de la Relatividad de Einstein, el espacio y el tiempo están inextricablemente conectados. En nuestro Universo, cuya curvatura es apenas medible, la estructura de este espacio-tiempo es fija. En un experimento de laboratorio, investigadores de la Universidad de Heidelberg lograron realizar un espacio-tiempo efectivo que puede manipularse. En su investigación sobre gases cuánticos ultrafríos, pudieron simular toda una familia de universos curvos para investigar diferentes escenarios cosmológicos y compararlos con las predicciones de un modelo teórico de campo cuántico. Los resultados de la investigación fueron publicados en Naturaleza.
El surgimiento del espacio y el tiempo en escalas de tiempo cósmicas desde el Big Bang hasta el presente es objeto de investigaciones actuales que solo pueden basarse en la observación de nuestro único Universo. La expansión y la curvatura del espacio son esenciales para los modelos cosmológicos. En un espacio plano como nuestro Universo actual, la distancia más corta entre dos puntos es siempre una línea recta. «Es concebible, sin embargo, que nuestro Universo fuera curvo en su fase inicial. Por lo tanto, estudiar las consecuencias de un espacio-tiempo curvo es una cuestión apremiante en la investigación», afirma el Prof. Dr. Markus Oberthaler, investigador del Instituto Kirchhoff de Física en Heidelberg. Universidad. Con su grupo de investigación «Sistemas cuánticos sintéticos», desarrolló un simulador de campo cuántico para este propósito.
El simulador de campo cuántico creado en el laboratorio consiste en una nube de átomos de potasio enfriados a unos pocos nanokelvins por encima del cero absoluto. Esto produce un condensado de Bose-Einstein, un estado mecánico cuántico especial del gas atómico que se alcanza a temperaturas muy frías. El Prof. Oberthaler explica que el condensado de Bose-Einstein es un fondo perfecto contra el cual se hacen visibles las excitaciones más pequeñas, es decir, los cambios en el estado de energía de los átomos. La forma de la nube atómica determina la dimensionalidad y las propiedades del espacio-tiempo en el que estas excitaciones viajan como ondas. En nuestro Universo existen tres dimensiones de espacio y una cuarta: el tiempo.
En el experimento realizado por los físicos de Heidelberg, los átomos quedan atrapados en una fina capa. Por lo tanto, las excitaciones solo pueden propagarse en dos direcciones espaciales: el espacio es bidimensional. Al mismo tiempo, la nube atómica en las dos dimensiones restantes se puede moldear de casi cualquier forma, por lo que también es posible realizar espaciotiempos curvos. La interacción entre los átomos se puede ajustar con precisión mediante un campo magnético, cambiando la velocidad de propagación de las excitaciones ondulatorias en el condensado de Bose-Einstein.
«Para las ondas en el condensado, la velocidad de propagación depende de la densidad y la interacción de los átomos. Esto nos da la oportunidad de crear condiciones como las de un universo en expansión», explica el Prof. Dr. Stefan Flörchinger. El investigador, que anteriormente trabajó en la Universidad de Heidelberg y se incorporó a la Universidad de Jena a principios de este año, desarrolló el modelo teórico de campo cuántico utilizado para comparar cuantitativamente los resultados experimentales.
Usando el simulador de campo cuántico, los fenómenos cósmicos, como la producción de partículas basadas en la expansión del espacio, e incluso la curvatura del espacio-tiempo, pueden hacerse medibles. «Los problemas cosmológicos normalmente tienen lugar a escalas inimaginablemente grandes. Poder estudiarlos específicamente en el laboratorio abre posibilidades completamente nuevas en la investigación al permitirnos probar experimentalmente nuevos modelos teóricos», afirma Celia Viermann, autora principal de «Nature » artículo. «Estudiar la interacción del espacio-tiempo curvo y los estados mecánicos cuánticos en el laboratorio nos ocupará durante algún tiempo», dice Markus Oberthaler, cuyo grupo de investigación también forma parte del Clúster de Excelencia de ESTRUCTURAS en Ruperto Carola.
El trabajo se realizó como parte del Centro de Investigación Colaborativo 1225, «Sistemas Cuánticos Aislados y Universalidad en Condiciones Extremas» (ISOQUANT), de la Universidad de Heidelberg.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de Heidelberg. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
