No porão do Instituto Kirchhoff de Física, na Alemanha, pesquisadores simularam o universo como ele poderia ter existido logo após o Big Bang. Eles criaram uma simulação de campo quântico de mesa que envolve o uso de ímãs e lasers para controlar uma amostra de átomos de potássio 39 que são mantidos próximos do zero absoluto. Eles então usam equações para traduzir os resultados nesta pequena escala para explorar possíveis características do universo primitivo.
O trabalho realizado até agora mostra que é possível simular um universo com uma curvatura diferente. Em um universo positivamente curvo, se você viajar em qualquer direção em linha reta, retornará ao ponto de partida. Num universo curvado negativamente, o espaço é curvado em forma de sela. O universo é atualmente plano ou quase plano, de acordo com Marius Sparn, estudante de doutorado no Instituto Kirchhoff de Física. Mas no início de sua existência, pode ter sido curvado de forma mais positiva ou negativa.
Ao redor da curva
“Se você tivesse uma esfera realmente enorme, como a Terra ou algo assim, e visse apenas uma pequena parte dela, você não saberia – ela está fechada ou infinitamente aberta?” disse Sabine Hosenfelder, membro do Centro de Filosofia Matemática de Munique. “Tornou-se uma questão realmente filosófica. As únicas coisas que sabemos vêm da parte do universo que observamos. Normalmente, a forma como as pessoas expressam isso é que, até onde sabemos, a curvatura nesta parte do universo é consistente com zero.”
Sparn foi um dos autores do artigo, “Simulação de campo quântico de dinâmica no espaço-tempo curvo“, que foi publicado na revista Nature em novembro de 2022. A equipe colaborou com cientistas da Bélgica, Espanha e Alemanha. A equipe estudou três cenários possíveis para a expansão inicial do universo: constante, aceleração e desaceleração.
O experimento de mesa envolveu a colocação de potássio-39 em uma célula de vidro entre uma série de grandes bobinas magnéticas acima e abaixo dela, disse Sparn. Essas bobinas magnéticas, juntamente com alguns dispositivos a laser, foram usadas para controlar o comportamento da amostra. Os átomos ficaram presos em uma fina camada que poderia ser considerada bidimensional, segundo A. Comunicado de imprensa Da Universidade de Heidelberg.
Quando resfriado a uma temperatura de 40 a 60 nanokelvins, o potássio-39 entra em um estado mecânico quântico conhecido como condensado de Bose-Einstein, disse Sparn. Os condensados de Bose-Einstein atuam como uma única partícula massiva, de acordo com Ramon Zmuk, gerente de produção da Quantum Machines.
“Nosso condensado de Bose-Einstein é um objeto completamente governado pela mecânica quântica porque trabalhamos em temperaturas muito baixas”, disse Sparn. “A equipe então procura por pequenos distúrbios [the] Capacitores. Então você pode pensar nisso como pequenas ondulações de flutuações de densidade. Estes são governados pela mecânica quântica.
“Obviamente, uma rodada do nosso experimento termina com uma foto”, disse Sparn. “Portanto, irradiamos luz que ressoa com a transição atômica do potássio-39 e tiramos imagens de absorção da nuvem. No processo, normalmente destruímos nossos condensados. Vemos menos luz nos locais onde os átomos estão. Podemos extrair a densidade dos átomos a partir disso. Então, o resultado final Sempre temos uma imagem da distribuição de densidade dos nossos átomos, e a partir daí podemos realizar análises estatísticas para obter mais informações sobre os resultados.
Universos alternativos
Os cientistas ligaram as equações do universo e as equações condensadas de Bose-Einstein para tirar conclusões sobre como o universo primitivo se comportava.
A equipe simulou a curvatura positiva aumentando a densidade do potássio-39 em direção ao centro da configuração experimental, disse Sparn. Eles simularam a curvatura negativa reduzindo-a.
“Mostramos que é possível simular o espaço-tempo curvo e em expansão espacial em condensados de Bose-Einstein”, disse Sparn. “Isso é o que você precisa para um universo homogêneo e isotrópico, o que deveria ser uma suposição justa em grandes escalas.”
Nos últimos anos, os cientistas usaram sistemas atômicos quânticos para encontrar paralelos com sistemas complexos no universo, disse Zmock. Isso liga a física atômica e a astrofísica.
Natureza, 2023. DOI: 10.1038/s41586-022-05313-9
Kat Frederico Ele é um ex-engenheiro mecânico que começou a se formar em matemática aplicada, engenharia e física na Universidade de Wisconsin-Madison. Ela se formou em jornalismo científico e ambiental e editou sete publicações de notícias, duas das quais ela cofundou. Ela é editora-chefe da revista de energia Solar Today.