Ciencias

Se simuló en laboratorio la creación de partículas por el Big Bang

¿De dónde provienen la materia y la luz de la radiación cósmica? Los físicos han tenido ideas sobre esto desde principios de la década de 1960, y estas ideas no son ajenas a la radiación de los agujeros negros. Ciertas pistas, derivadas de la teoría cuántica de campos en el espacio-tiempo curvo, acaban de ser probadas para cosmología con un condensado de Bose-Einstein en el laboratorio de la Tierra.

la teoria de Big BangBig Bang es un logro definitivo de principios del siglo XXIy siglo. Pero es así si por teoría del Big Bang se entiende la teoría de que el Universo observable, que no es todo lo que existe, estaba en un estado mucho más denso y caliente, sin átomos y estrellasestrellas, digamos entre 10 y 20 mil millones de años. Así que podría ser que nuestro Universo observable sea solo una región de un cosmoscosmos infinito en el espacio y en el tiempo que un día colapsó gravitatoriamente, como una estrella dando lugar a un agujero negro, antes de volver a una fase de expansión tras haber alcanzado un límite, pero de densidad finita.

En todo caso, se puede hacer la pregunta sobre el origen de la asuntoasunto y la luz de la radiación cósmica que observamos a nuestro alrededor. Los desarrollos de mecánica cuánticamecánica cuántica y en particular la teoría cuántica de campos de los años 1925 a 1935 nos permiten imaginar procesos no solo para la creación de cuantos de luz, sino también de cuantos de materia, los electroneselectrones átomos y quarksquarks formando el protonesprotones y el neutronesneutrones entonces siendo primos de fotonesfotones🇧🇷

Estos procesos podrían ser utilizados como parte de la cosmologíacosmología ¿El relativista de Einstein para explicar el origen de la materia?

Una creación de materia producida por espacio-tiempos dinámicos.

La respuesta es sí y paradójicamente, cuando en realidad son procesos descritos por una teoría cuántica de campos en un Tiempo espacialTiempo espacial curva que no está cuantificada, sabemos esto desde la década de 1960 antes Stephen HawkingStephen Hawking no usó esta teoría a principios de la próxima década para descubrir la producción de partículas por agujeros negrosagujeros negros ahora lleva su nombre bajo el título de Hawking Radiation.

El descubrimiento de la creación cuántica de partículas en cosmología se lo debemos a un físico estadounidense que comenzó a trabajar sobre esta cuestión en 1962 en su tesis bajo la dirección del legendario Sydney Colman (véase sobre este tema el artículo de Futura sobre el último libro de Jean-Pierre Luminet sobre agujeros negros🇧🇷 El físico en cuestión se llama leonardo parker y puedes encontrar en arXiv🇧🇷 en forma de entrevista, una fascinante historia de la teoría cuántica de partículas en el espacio-tiempo curvo🇧🇷 Aprendemos, por ejemplo, que de hecho los primeros cálculos cuánticos de estos efectos datan de 1939 y que se los debemos a… Erwin Schrodinger 🇧🇷

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Leonard Parker también explica allí que tiempo después de haber aprobado su tesis, habló con Fred Hoyle sobre su descubrimiento de la producción de partículas por la expansión de los espacio-tiempos descrita por la famosa familia de soluciones de ecuacionesecuaciones de Einstein dijo de Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker (FLRW) para modelos cosmológicos isotrópicoisotrópico y homogéneo (por lo tanto, parece idéntico a cualquier observador en todas partes y mira en diferentes direcciones con respecto, en particular, a la densidad promedio de partículas y la velocidadvelocidad expansión en algún momento de la historia del cosmos observable).

Fred Hoyle, en ese momento posiblemente el mejor teórico cosmológico de Gran Bretaña detrás de un Stephen Hawking cuya estrella acababa de comenzar a brillar, era conocido como el autor en 1948, junto con Hermann Bondi y Thomas Gold, del ahora fallecido modelo cosmológico estacionariomodelo que niega la teoría del Big Bang de Lemaître y Gamow.

Hoyle, Bondi y Gold propusieron en este modelo, que entonces dominaba la cosmología antes del descubrimiento de cuásarescuásares y sobre todo por la radiación fósil, que el cosmos era infinito en el tiempo y en el espacio, aunque paradójicamente en expansión. Por lo tanto, era absolutamente homogéneo en el espacio y el tiempo, ya que no importa en qué lugar o tiempo un observador tomara medidas en él, siempre vería las mismas cosas en promedio, sin una evolución de la galaxiasgalaxias o la materia es realmente perceptible.

Pero por eso, Hoyle debe haber asumido que debe tener lugar una creación continua de materia., lo que lleva al igualmente continuo nacimiento de galaxias. Sin esta suposición, el cosmos se diluiría cada vez más con la expansión.

Hoyle había desarrollado algunas ecuaciones para explicar ciertos aspectos de esta creación de la materia, pero eran más o menos rudimentarias. El trabajo de Parker proporcionó una descripción mucho más precisa y, desafortunadamente, como le explicó a Hoyle, no permitió que se creara suficiente materia a la tasa de expansión medida. Pero todo eso cambió con una fase de expansión primitiva mucho más rápida.

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La teoría cuántica de campos en el espacio-tiempo curvo se desarrollará rápidamente durante la década de 1970 bajo el impulso de varios investigadores en Inglaterra y Rusia, por supuesto para la cosmología, pero especialmente debido al descubrimiento de la radiación de Hawking. 🇧🇷 Un segundo impulso llegó a principios de la década de 1980 con el descubrimiento de la teoría de la inflación cosmológica, que permitió desarrollar un escenario para la creación de la materia que hoy constituye el cosmos observable y también condujo a la predicción de una producción de gravitones. , más generalmente deondas gravitacionalesondas gravitacionalespor la fase de expansión prodigiosamente exponencialmente rápida de la historia temprana del Universo en la teoría de la inflación.

Estas ondas gravitacionales podrían dejar rastros observables hoy en día en la radiación fósil.🇧🇷

¿Podemos probar los mecanismos de producción de partículas debido a la expansión del Universo propuestos por Parker y luego por sus colegas?

Simuladores de espacio-tiempo con condensados ​​de Bose-Einstein

Directamente no lo parece, pero al igual que en el caso de las pruebas indirectas de la radiación de Hawking, el físico canadiense William Unruh, descubridor de una radiación cercana a la de los agujeros negros desde entonces denominada «efecto Unruh», ya había demostró en la década de 1980 que las ecuaciones de la teoría cuántica de campos en el espacio-tiempo curvo tenían analogías con los fenómenos en los fluidos y que, por lo tanto, se podían probar las ideas y los cálculos involucrados en el laboratorio, sin poder reproducir realmente la creación de partículas en el espacio-tiempo de la relatividad.

De hecho, durante más de una década, hemos obtenido en el laboratorio, en particular con los llamados agujeros negros sónicos, análogos no solo de la radiación de Hawking pero también deefecto extraño🇧🇷 Se obtuvieron ejemplos famosos en los condensados ​​de Bose-Einstein. Por lo tanto, no nos sorprenderá una publicación reciente en Naturaleza, y que se puede encontrar libremente en arXiv🇧🇷 informando con precisión un avance en este campo que ahora permite explorar la creación de partículas en cosmología.

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El artículo habla del trabajo realizado por Markus Oberthaler de la Universidad de Heidelberg, Alemania, quien junto con sus colegas empezó consiguiendo unos 20.000 átomos ultrafríos de potasiopotasio 39 usando láseresláseres para reducir su velocidad y bajar su temperatura a unos 60 nanokelvins, o 60 mil millonésimas de grado KelvinKelvin por encima del cero absoluto.

Estos átomos luego pasan a través de un transición de fasetransición de fase lo que los hace comportarse como una sola onda cuántica y, más precisamente, por lo tanto un condensado de Bose-Einstein🇧🇷 Es posible manipular esta colección de átomos para dar lugar a procesos descritos por ecuaciones análogas a las que gobiernan la creación de partículas cuánticas por un espaciotiempo curvo en expansión de la familia FLRW, más precisamente un espaciotiempo infinito del tipo hiperbólico para usar la jerga de físicosfísicos relativistas.

Obviamente, el condensado de BE no es infinito, pero parte de él está descrito por ecuaciones relacionadas con lo que se llama el disco de Poincaré, es decir, un conjunto de puntos de un disco en relación por una transformación matemática con los puntos de un espacio de geometría hiperbólica. Entonces, hay una especie de diccionario entre los dos espacios, para que podamos estudiar entre nosotros qué es lo que nos permite traducir la teoría cuántica de campos en el espacio-tiempo curvo en el espacio hiperbólico en una teoría cuántica con ondas sonorasondas sonoras primos de fotones que contienen cuantizados, los fonones🇧🇷

Con ello, los investigadores acaban de realizar el primer experimento que utilizó átomos ultrafríos para simular un universo curvo y en expansión. Las ondas sonoras cuánticas en el condensado de BE exhiben entonces la analogía con el emparejamiento de partículas predicho por el trabajo de Parker y sus colegas, lo que refuerza la confianza en la teoría de los campos cuánticos en el espacio-tiempo curvo.

Como beneficio adicional, ahora tenemos un laboratorio para explorar las consecuencias desconocidas de las ecuaciones de esta teoría que aún no hemos podido descubrir en las ecuaciones mediante el cálculo y el razonamiento.

Prudencia Febo

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