Araştırmacılar, kavisli bir uzayzamanın özelliklerini taklit etmek ve erken Evren teorileri tarafından öngörülen kuantum alanlarının davranışını taklit etmek için, ultra soğuk bir gazdaki ses hızını kontrol manipüle ediyorlar.
Evrenin büyük ölçekli yapısı, kozmologların büyük patlamadan hemen sonra uzayın hızla genişlediği sonucuna varmalarını sağlamıştır. Boşlukta bulunan kuantum alanları haricinde, Evren bu genişleme sırasında boştu. Bu alanların genişleyen bir evrenin kıvrılan uzay zamanında nasıl geliştiği hala belirsizdir, ancak bir cevap bulmak parçacıkların kökenine ışık tutabilir.
Uzay Zaman Bükülmesi (Eğriliği) Nedir?
Bu alanları keşfetmek için Almanya’daki Heidelberg Üniversitesi’ndeki araştırmacılar şimdi analog bir sistem yarattılar. Ultra soğuk atomlardan oluşan bir Bose-Einstein yoğunlaşmasında (BEC) eğri uzay ve zamanla eşleşen özellikler sergileyerek, genişleyen bir evrende kuantum alanlarının evrimini simüle etmek için yeni bir yöntem sunuyorlar.
Sistemin hem uzay yönünün hem de zamansal yönünün bükülmesi gerektiğinden, eğri uzay-zamanı yeniden yaratmak kolay bir işlem değildir. Sistemin geometrisi (düz, küresel ya da hiperbolik olması) uzaysal eğriliği etkiler. Zaman eğriliği ise sistemin durağan, genişleyen ya da her ikisini de içeren evrimini dikkate alır. Kanada’daki British Columbia Üniversitesi’nden William Unruh, 1980 yılında kıvrılmış uzay-zamanda yayılan ışık dalgalarının akan bir sıvıda yayılan ses dalgalarıyla karşılaştırılabileceği gözlemini yapmıştır. O zamandan bu yana, sıvı akışını kullanarak eğriliğin etkilerini taklit eden başka simülatörler de yaratıldı.
Markus Oberthaler ve Heidelberg Üniversitesi’ndeki meslektaşları, bu fikirlere dayanarak durgun bir BEC sıvısında kavisli bir uzay-zaman analoğu geliştirdiler. BEC’de sesi yavaşlatarak bir soygun gerçekleştirdiler. Örneğin, ses hızını yavaşlatarak iki nokta arasındaki etkin mesafeyi artırabilirler çünkü sesin iki nokta arasında seyahat etmesi daha uzun sürecektir.
Uzay zamanın etkili bir şekilde “bükülmesi” hızın kontrol edilmesiyle sağlanabilir.
Teknoloji, araştırmacılar tarafından ultra soğuk potasyum-39 iyonlarının optik bir cihazda hapsedilmesiyle oluşturuldu. Tuzak, BEC yoğunluk dağılımını değiştirerek uzamsal ses hızı kontrolüne olanak sağladı. Örneğin, araştırmacılar belirli bir tuzak yapısının ortada düzgün bir tepe noktası olan bir yoğunluk profili ürettiğini ve bunun da merkezde yüksek ve çevrede düşük bir ses hızı dağılımı ile sonuçlandığını gösterdiler. Hiperbolik bir evrenin 2 boyutlu bir izdüşümü için öngörülen model, bu gaz içinde hareket eden ses dalgalarının merkezden uzağa doğru bükülme biçiminde görülmelidir.
Araştırmacılar, BEC’lerinin merkezine yakın bir lazer ışını yoğunlaştırdılar ve BEC’lerinin uzamsal olarak kavisli bir geometriye yaklaştığını doğrulamak için fonon olarak bilinen kuantize ses dalgalarına karşılık gelen yoğunluk titreşimlerini aradılar. Odak noktasından yayıldıkça fononların konumlarını izlediklerinde, yörüngelerin uzamsal olarak kavisli bir geometri göz önüne alındığında beklenenlerle uyumlu olduğunu keşfettiler. Bu testler küresel ve hiperbolik geometriler için de tekrarlandı.
Bilim insanları gazı, potasyum atomları arasındaki küçük etkileşim güçlerini değiştiren ve ses hızının zamansal kontrolüne izin veren tutarlı bir manyetik alana maruz bıraktılar. BEC, bu bağlantıları kademeli olarak azaltarak sanki genişliyormuş gibi davrandı. Oberthaler’e göre, sistemi aktif olarak büyütmeden veya yoğunluk dağılımını değiştirmeden genişlemeyi uygulama yeteneği, bunu çok önemli bir adım haline getiriyor.
Araştırmacılar, etkileşim yoğunluğunu düşürdükten sonra BEC’in yoğunluk dağılımının nasıl değiştiğini incelediler; bu da boyut olarak yaklaşık iki katına çıkan bir evrene karşılık geliyordu. Genişleyen uzayda bekleneceği gibi, rampadan sonra büyük ölçekli güçlendirilmiş yoğunluk değişimleri olduğunu keşfettiler. Bu artan yoğunluk dalgalanmaları, kuantum alan teorisi tarafından yapılan genişleyen bir evrenin tahminleri doğrultusunda, fonon alanı içindeki “parçacık üretimi” ile ilişkilendirildi.
Araştırmacılar rampa davranışını değiştirmiş ve hızlanan, yavaşlayan ve tekdüze genişleme senaryoları altında yoğunluk dalgalanmalarının gelişimini izlemişlerdir. Çoğu zaman, yoğunluk kontrast korelasyonları, genişleyen bir ses konisi için bekleneceği gibi, rampayı takiben büyüdü. Genişleyen evren teorilerinin öngördüğü gibi, yoğunluk dalgalanmalarının zaman içindeki gelişimi de Sakharov salınımlarıyla eşleşmiştir.
Indiana’daki Purdue Üniversitesi’nde ultra soğuk kuantum gazları üzerine çalışan fizikçi Chen-Lung Hung’a göre bu gösteri, onlarca yıllık teori ve deney ilkelerini bir araya getiriyor. Kaynaklar mevcut olsa da bu, eğri uzay zamanın ve önemli deneysel işaretlerin yaratılabileceğini göstermek için etkili bir şekilde birleştirildikleri ilk örnektir.
Hung’a göre bir masa üstü deneyinde akustik kara delikleri simüle etmek ve kuantum alanlarının bu yeni geometrilerde nasıl değiştiğini görmek mümkün olabilir.
İtalya’daki Uluslararası İleri Araştırmalar Enstitüsü’nde kuantum ve klasik yerçekimi profesörü olan Stefano Liberati’ye göre BEC simülatörünün çok yönlülüğü onu bu kadar ilgi çekici yapan şey.
Eğriliği ve zaman bağımlılığını bağımsız olarak değiştirebildiklerini ve normal model simülasyonlarına ek olarak olağandışı fiziğin simülasyonuna izin verdiklerini iddia ediyor.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v15/176