新的玻色愛因斯坦凝聚態系統，在實驗室里就能模擬膨脹的宇宙

來自專欄 DeepTech深科技

宇宙膨脹對於我們理解和認識宇宙具有重要的意義，然而，我們對於宇宙膨脹的認知十分有限，因為在實驗室中模擬一個膨脹的宇宙實在是有些困難的事。另一方面，冷原子可被用於模擬那些實驗中難以實現的系統，比如超固體、超導體或黑洞。

現在，馬里蘭大學的 Gretchen Campbell 和她的同事表示，玻色愛因斯坦凝聚（BEC）的快速膨脹令人們聯想起了宇宙在膨脹過程中的一些特性。

他們認為，其BEC系統可用來作為基於實驗室的宇宙理論測試平台。

該成果的背後是基於以下聯繫：BEC對於聲子（物質或聲波的量子化振動）來說事真空的，就如同宇宙對於光子（光的量子化粒子）是真空的一樣。通過探索這個聯繫背後的物理機理，或許可以幫助人們更好的了解和認識我們的宇宙。

Campbell和她的同事首先將數十萬23Na原子冷卻到BEC狀態，然後利用激光來將BEC囚禁在環形的勢阱中。他們隨後在數十毫秒的時間內將環形勢阱的半徑增大了4個數量級，導致束縛在勢阱內的BEC以超聲速膨脹。通過對擴散過程中和擴散後的BEC進行成像，團隊測量了BEC各參數，如BEC密度，在BEC中傳播的聲子的幅值和頻率，隨時間的演化。

測量結果顯示，觀察到的BEC膨脹與宇宙的膨脹具有三個相似的特性。第一，BEC的聲子波長在擴散的過程中增加，與天文學中著名的紅移效應相似。第二，BEC的動態特性只能通過加入一個阻尼效應來準確的建模，這與著名的哈勃摩擦（Hubble friction）理論類似。哈勃摩擦作為一種無損摩擦，常被用在宇宙膨脹建模中。最後，在BEC膨脹的過程中，存在一個能量轉移的過程，能量從BEC均勻的徑向激發態轉移到局域化的漩渦和聲子中，加熱了BEC。

文章作者推測，這個能量轉移過程與宇宙早期的「預加熱」階段相似：趨勢擴散的均勻場能量衰減到眾多的激發過程中，後者加熱了宇宙。