p Pesquisadores brincando com uma nuvem de átomos ultracold descobriram um comportamento que tem uma semelhança impressionante com o universo no microcosmo. Trabalho deles, que forja novas conexões entre a física atômica e a expansão repentina do universo inicial, foi publicado em 19 de abril em Revisão Física X e apresentado em Física . p "Do ponto de vista da física atômica, o experimento é lindamente descrito pela teoria existente, "diz Stephen Eckel, um físico atômico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e o principal autor do novo artigo. "Mas ainda mais impressionante é como essa teoria se conecta com a cosmologia."

p Em vários conjuntos de experimentos, Eckel e seus colegas expandiram rapidamente o tamanho de uma nuvem de átomos em forma de rosquinha, tirar instantâneos durante o processo. O crescimento acontece tão rápido que a nuvem fica zumbindo, e um zumbido relacionado pode ter aparecido em escalas cósmicas durante a rápida expansão do universo primitivo - uma época que os cosmologistas chamam de período de inflação.

p O trabalho reuniu especialistas em física atômica e gravidade, e os autores dizem que é uma prova da versatilidade do condensado de Bose-Einstein (BEC) - uma nuvem ultracold de átomos que pode ser descrita como um único objeto quântico - como uma plataforma para testar ideias de outras áreas da física.

p "Talvez isso um dia informe os futuros modelos de cosmologia, "Eckel diz." Ou vice-versa. Talvez haja um modelo de cosmologia difícil de resolver, mas que você poderia simular usando um gás atômico frio. "

p Não é a primeira vez que pesquisadores conectam BECs e cosmologia. Estudos anteriores imitaram buracos negros e buscaram análogos da radiação prevista para sair de seus limites sombrios. Os novos experimentos enfocam a resposta do BEC a uma rápida expansão, um processo que sugere várias analogias com o que pode ter acontecido durante o período de inflação.

p A primeira e mais direta analogia envolve a maneira como as ondas viajam através de um meio em expansão. Tal situação não ocorre com frequência na física, mas aconteceu durante a inflação em grande escala. Durante essa expansão, o próprio espaço estendia quaisquer ondas a tamanhos muito maiores e roubava energia delas por meio de um processo conhecido como atrito de Hubble.

p Em um conjunto de experimentos, pesquisadores identificaram características análogas em sua nuvem de átomos. Eles imprimiram uma onda sonora em sua nuvem - regiões alternadas de mais átomos e menos átomos ao redor do anel, como uma onda no universo primitivo - e observei-a se dispersar durante a expansão. Sem surpresa, a onda de som se estendeu, mas sua amplitude também diminuiu. A matemática revelou que esse amortecimento se parecia com o atrito do Hubble, e o comportamento foi bem capturado por cálculos e simulações numéricas.

p "É como se estivéssemos atingindo o BEC com um martelo, "diz Gretchen Campbell, o co-diretor do NIST do Joint Quantum Institute (JQI) e co-autor do artigo, "e é meio chocante para mim que essas simulações reproduzam tão bem o que está acontecendo."

p Em um segundo conjunto de experimentos, a equipe descobriu outro, analogia mais especulativa. Para esses testes, eles deixaram o BEC livre de quaisquer ondas sonoras, mas provocaram a mesma expansão, assistindo o BEC espirrar para frente e para trás até que ele relaxou.

p De certa forma, esse relaxamento também se assemelhava à inflação. Parte da energia que impulsionou a expansão do universo acabou criando toda a matéria e luz ao nosso redor. E embora existam muitas teorias de como isso aconteceu, os cosmologistas não têm certeza de como essa energia restante foi convertida em todas as coisas que vemos hoje.

p No BEC, a energia da expansão foi rapidamente transferida para coisas como ondas sonoras viajando ao redor do anel. Algumas suposições iniciais de por que isso estava acontecendo pareciam promissoras, mas eles ficaram aquém de prever a transferência de energia com precisão. Então a equipe se voltou para simulações numéricas que pudessem capturar uma imagem mais completa da física.

p O que surgiu foi um relato complicado da conversão de energia:depois que a expansão parou, átomos na borda externa do anel atingem seus novos, limite expandido e refletido de volta para o centro da nuvem. Lá, eles interferiram com átomos ainda viajando para fora, criando uma zona no meio onde quase nenhum átomo poderia viver. Os átomos de cada lado desta área inóspita tinham propriedades quânticas incompatíveis, como dois relógios vizinhos que estão fora de sincronia.

p A situação era altamente instável e finalmente entrou em colapso, levando à criação de vórtices em toda a nuvem. Esses vórtices, ou pequenos redemoinhos quânticos, quebraria e geraria ondas sonoras que percorriam o anel, como as partículas e a radiação que sobraram após a inflação. Alguns vórtices até escaparam da borda do BEC, criando um desequilíbrio que deixou a nuvem girando.

p Ao contrário da analogia com o atrito do Hubble, a complicada história de como átomos espirrados pode criar dezenas de redemoinhos quânticos pode não ter nenhuma semelhança com o que acontece durante e após a inflação. Mas Ted Jacobson, co-autor do novo artigo e professor de física da Universidade de Maryland, especializado em buracos negros, diz que sua interação com físicos atômicos rendeu benefícios fora desses resultados técnicos.

p "O que aprendi com eles, e pensando tanto em um experimento como esse, são novas maneiras de pensar sobre o problema da cosmologia, “Jacobson diz.“ E eles aprenderam a pensar sobre aspectos do BEC que eles nunca teriam pensado antes. Se eles são úteis ou importantes, resta saber, mas foi certamente estimulante. "

p Eckel ecoa o mesmo pensamento. "Ted me fez pensar sobre os processos em BECs de forma diferente, " ele diz, "e sempre que você aborda um problema e pode vê-lo de uma perspectiva diferente, dá a você uma chance melhor de realmente resolver esse problema. "

p Experimentos futuros podem estudar a complicada transferência de energia durante a expansão mais de perto, ou mesmo pesquisar outras analogias cosmológicas. "O bom é que, a partir desses resultados, agora sabemos como projetar experimentos no futuro para direcionar os diferentes efeitos que esperamos ver, "Campbell diz." E à medida que os teóricos apresentam modelos, isso nos dá um ambiente de teste onde podemos realmente estudar esses modelos e ver o que acontece. "