Des chercheurs simulent une famille entière d’univers avec une courbure dans des gaz quantiques ultrafroids

Selon la théorie de la relativité d’Einstein, l’espace et le temps sont inextricablement liés. Dans notre Univers, dont la courbure est à peine mesurable, la structure de cet espace-temps est figée. Dans une expérience en laboratoire, des chercheurs de l’Université de Heidelberg ont réussi à réaliser un espace-temps efficace qui peut être manipulé. Dans leurs recherches sur les gaz quantiques ultrafroids, ils ont pu simuler toute une famille d’univers courbes pour étudier différents scénarios cosmologiques et les comparer aux prédictions d’un modèle théorique de champ quantique. Les résultats de la recherche ont été publiés dans La nature.

L’émergence de l’espace et du temps aux échelles de temps cosmiques du Big Bang à nos jours fait l’objet de recherches actuelles qui ne peuvent s’appuyer que sur l’observation de notre Univers unique. L’expansion et la courbure de l’espace sont essentielles aux modèles cosmologiques. Dans un espace plat comme notre Univers actuel, la distance la plus courte entre deux points est toujours une ligne droite. “Il est concevable, cependant, que notre Univers ait été courbé dans sa phase initiale. Étudier les conséquences d’un espace-temps courbé est donc une question urgente en recherche”, déclare le professeur Dr Markus Oberthaler, chercheur à l’Institut Kirchhoff de physique à Heidelberg. Université. Avec son groupe de recherche “Synthetic Quantum Systems”, il a développé à cet effet un simulateur de champ quantique.

Le simulateur de champ quantique créé en laboratoire consiste en un nuage d’atomes de potassium refroidis à quelques nanokelvins au-dessus du zéro absolu. Cela produit un condensat de Bose-Einstein – un état mécanique quantique spécial du gaz atomique qui est atteint à des températures très froides. Le professeur Oberthaler explique que le condensat de Bose-Einstein est un fond parfait sur lequel les plus petites excitations, c’est-à-dire les changements dans l’état énergétique des atomes, deviennent visibles. La forme du nuage atomique détermine la dimensionnalité et les propriétés de l’espace-temps sur lequel ces excitations chevauchent comme des vagues. Dans notre Univers, il existe trois dimensions de l’espace ainsi qu’une quatrième : le temps.

Dans l’expérience menée par les physiciens d’Heidelberg, les atomes sont piégés dans une fine couche. Les excitations ne peuvent donc se propager que dans deux directions spatiales — l’espace est bidimensionnel. Dans le même temps, le nuage atomique dans les deux dimensions restantes peut être façonné de presque n’importe quelle manière, ce qui permet également de réaliser des espaces-temps courbes. L’interaction entre les atomes peut être ajustée avec précision par un champ magnétique, modifiant la vitesse de propagation des excitations ondulatoires sur le condensat de Bose-Einstein.

“Pour les ondes sur le condensat, la vitesse de propagation dépend de la densité et de l’interaction des atomes. Cela nous donne la possibilité de créer des conditions similaires à celles d’un univers en expansion”, explique le professeur Stefan Flörchinger. Le chercheur, qui travaillait auparavant à l’Université de Heidelberg et a rejoint l’Université d’Iéna au début de cette année, a développé le modèle théorique de champ quantique utilisé pour comparer quantitativement les résultats expérimentaux.

En utilisant le simulateur de champ quantique, des phénomènes cosmiques, tels que la production de particules basée sur l’expansion de l’espace, et même la courbure de l’espace-temps peuvent être rendus mesurables. “Les problèmes cosmologiques se produisent normalement à des échelles inimaginables. Pouvoir les étudier spécifiquement en laboratoire ouvre des possibilités de recherche entièrement nouvelles en nous permettant de tester expérimentalement de nouveaux modèles théoriques”, déclare Celia Viermann, l’auteur principal du “Nature ” article. “L’étude de l’interaction de l’espace-temps courbe et des états de la mécanique quantique en laboratoire nous occupera encore un certain temps”, déclare Markus Oberthaler, dont le groupe de recherche fait également partie du cluster d’excellence STRUCTURES de Ruperto Carola.

Les travaux ont été menés dans le cadre du Collaborative Research Center 1225, “Isolated Quantum Systems and Universality in Extreme Conditions” (ISOQUANT), de l’Université de Heidelberg.

Source de l’histoire :

Matériaux fourni par Université de Heidelberg. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.