Проверка кривизны

8 февраля в России празднуется День науки. Один из ее основоположников – Альберт Эйнштейн, разработавший общую теорию относительности. В числе прочего последняя включает понятие о кривизне пространства-времени, которая могла сыграть значительную роль в процессах расширения ранней Вселенной. В итоге они привели к появлению элементарных частиц и формированию материи такой, какой мы ее знаем. Недавно группа физиков из Гейдельбергского университета (Германия) во главе с Селией Вирманн сумели воспроизвести эти процессы в лабораторных условиях, используя модели с различной кривизной. Детали работы опубликованы в издании Nature.

В сознании простого обывателя выражение «кривизна пространства-времени» связано, как правило, с какими-то паранаучными теориями. Например, теорией существования параллельных миров. У научных фантастов герои часто попадают в порталы, где происходят такие пространственно-временные искажения, и оказываются в прошлом, или в будущем, или в альтернативной реальности. По некоторым версиям, в другой мир можно попасть через черные дыры или так называемые кротовые норы. Это совершенно конкретные космические объекты.

Но вот к идеям, что по ту сторону порталов нас ждут представители иных эпох или параллельных цивилизаций, серьезные ученые относятся довольно скептически. Во-первых, о свойствах данных порталов мы знаем только в теории, во-вторых, не факт, что, добравшись до этих объектов, мы узнаем, что находится по ту сторону. Например, черные дыры затягивают в себя материю, и если мы окажемся в зоне их воздействия, то, скорее всего, просто прекратим свое физическое существование.

Между тем искривления в пространстве-времени могут происходить постоянно, но незаметно для нас. Это обычные физические процессы, которые могут влиять на некоторые параметры, в частности, связанные с перемещением тел. Но вряд ли они фантастическим образом могут изменить нашу реальность, скажем, привести к появлению или исчезновению тех или иных предметов или воскрешению умерших людей. Не исключено, что такое может происходить в действительности, однако под влиянием совсем других процессов.

Поведение квантовых полей в искривленном пространстве-времени математически описывается посредством специальной метрики Фридмана – Леметра – Робертсона – Уокера, которая позволяет, например, определить линии свободного падения тел. Однако наблюдать эти процессы в реале ученым до недавних пор не удавалось. Правда, в 1976 году Уильям Унру из Университета Британской Колумбии (Канада) обратил внимание на то, что параметры распространения звука в конденсированных средах практически аналогичны параметрам возбуждения квантовых полей в вакууме. Следовательно, можно создать модели, являющиеся симуляцией этих процессов. При этом необходимо учитывать, что скоростью звука в конденсате можно управлять, меняя его плотность и силу взаимодействия между атомами, тогда как скорость света, к примеру, всегда является постоянной. Но если мы перей­дем в систему координат, в которой скорость звука будет считаться постоянной, это привнесет в акустическое пространство-время эффект кривизны.

Одним из таких проектов стало исследование спектра излучения Хокинга, испускаемого акустическим аналогом черной дыры, воссозданной в конденсате Бозе – Эйнштейна. Вирманн и ее коллеги взяли за основу для симуляций двумерный конденсат холодных атомов калия, запертый в радиально-симметричной гармонической ловушке, создав таким образом мини-модель Вселенной – гиперболическое пространство с отрицательной кривизной. Во время лабораторных экспериментов они неоднократно меняли плотность конденсата и силу взаимодействия атомов друг с другом в пространстве и во времени. Чтобы отследить, как движутся волны, специалисты направляли в середину облака конденсата короткие лазерные импульсы и делали снимки в различные моменты времени. Движение акустических волновых пакетов вдоль геодезических в искусственной Вселенной происходило согласно предсказаниям общей теории относительности. То же самое наблюдалось и при симуляции сферических пространств с положительной кривизной, осуществленной путем модификации поля ловушки с помощью микрозеркального устройства.

На следующем этапе команда решила изучить эффекты космологического расширения Вселенной. Для этого они связали масштабный фактор расширения со скоростью звука в своей экспериментальной системе координат. Для контроля лабораторной «Вселенной» исследователи «включали» магнитное поле, которое воздействовало на длину рассеяния атомов в конденсате.

Квантовая теория гласит, что расширение пространства приводит к спонтанному рождению пар частиц. Тот же эффект проявился и в ходе симуляции. Когда физики заставили «Вселенную» расширяться, в ней спонтанно начали рождаться пары фононов (квазичастиц, или квантов энергии согласованного колебательного движения атомов твердого тела). Авторы исследования, вычисляя динамику этих флуктуаций при различных сценариях расширения и скоростях наращивания поля, обнаружили, что экстремумы колебаний смещались со временем примерно на 2,5 микрометра в миллисекунду, что соответствовало удвоенному значению скорости звука в конденсате. Это привело ученых к выводу, что амплитуды и фазы этих осцилляций можно считать аналогом космологических осцилляций Сахарова, то есть колебаний в спектре мощности вещества, которые можно наблюдать на просторах реальной Вселенной.

В обозримом будущем группа Вирманн планирует провести серию экспериментальных исследований и по другим вопросам космологии, таким как термодинамические эффекты, эволюция квантовой запутанности, связь горизонтов событий и т. д.

Лада КОВАЛЕНКО