為什么可以使用「超冷原子試驗」來模擬宇宙早期？通過這個實驗我們可以獲得什么？| 物理問答室（3）

一提到宇宙早期的情況，我們立馬想到的就是用望遠鏡去看看那時候究竟發生了什么。然而，通過望遠鏡來觀察早期宇宙也并非易事，因為那些遙遠的信號到達地球時已變得極其微弱，常常隱沒在背景噪聲之中難以分辨。更麻煩的是，極早期的宇宙對光來說是不透明的，壓根看不見什么。 而且，宇宙早期那種極端條件幾乎不可能在實驗室中重現。因此，要檢驗相關理論是很困難的。

乍聽起來，用接近絕對零度（-273.15℃）的超冷原子模擬宇宙初期那種極高溫度的狀態有些令人匪夷所思。這看似矛盾的操作，實際上又一次給一種在物理學中并不罕見的現象提供了實例：不同尺度和能標的物理系統可能服從某些極其類似的動力學規律，可以用同一微分方程來描述。至于為什么會發生這種情況，則是一個深奧的、值得進一步探究的科學/哲學問題，這里我們不做詳細討論。下面我們通過一項工作，來具體看一下這些用激光和磁場操縱原子的凝聚態物理學家們是怎樣通過他們的實驗幫助我們理解宇宙演化的。

▲ 超冷原子揭示早期宇宙的劇烈膨脹（ Ultracold Atoms Provide Insight into Early Universe's Dramatic Expansion ）。圖片來源 : Emily Edwards, Joint Quantum Institute。

宇宙學家認為，宇宙在誕生之初曾從亞原子尺度快速膨脹至比西瓜更大的尺寸。在2018年，美國國家標準與技術研究所（National Institute of Standards and Technology）和馬里蘭大學（University of Maryland）的物理學家在實驗室中用超冷原子構建的宇宙模型成功模擬了宇宙早期的膨脹過程。他們將數十萬個原子冷卻至接近絕對零度（僅高出其十億分之幾度），這些原子進入玻色-愛因斯坦凝聚狀態。那么，什么是“玻色-愛因斯坦凝聚”呢？當溫度足夠低的時候，幾乎所有的原子都將占據到最低能態上，它們開始失去“個性”，變得步調一致，像一個巨大的“超級原子”， 一起展現出量子特性。通過快速擴大環形原子云的尺寸，科學家模擬出了早期宇宙空間膨脹過程中光波被拉伸和衰減的現象。

▲ 計算機模擬的 玻色-愛因斯坦凝聚。 圖片來源: NASA/NIST。

這一工作的完成者之一Stephen Eckel指出，在玻色-愛因斯坦凝聚體中傳播的聲波遵循著與宇宙黎明之時光波在真空中傳播完全相同的數學方程。研究團隊通過激光將原子束縛在環形結構中，并利用鏡面陣列精確操控光束以調節被固定的粒子。為模擬宇宙膨脹過程，他們保持環形結構半徑以聲速擴張。向系統中注入聲波后，再通過快速成像技術記錄環形結構膨脹過程中聲波的演化過程。他們觀察到：隨著環形結構擴張，聲波波長相應增加——這種現象高度模擬了宇宙學中的紅移效應（即空間膨脹導致光波被拉伸從而使波長變長）。同時他們還檢測到波的強度在膨脹過程中逐漸衰減，這對應著早期宇宙中光波因將能量傳遞給膨脹空間而導致振幅衰減。團隊還觀測到了名為"預加熱（preheating）"的復雜效應的跡象。宇宙學家認為該現象發生于暴脹末期，初始快速膨脹蘊含的能量耗散后形成了當今觀測到的各種粒子。當超冷原子的膨脹停止時，聲波會來回震蕩，最終通過一系列渦旋耗散成沿環傳播的波。這種能量重新分布的過程與預加熱理論高度吻合，但其發生速度遠超預期，且呈現方式與現有的宇宙學理論存在差異。

這一系統可能還能模擬早期宇宙密度變化如何影響星系等結構的形成等現象。此前已有人利用類似的系統在實驗室模擬黑洞。盡管目前尚不確定凝聚態物理學能否一定能為宇宙學帶來新東西，但我們可以期待通過加強這種橫跨物理學不同分支的類比研究，使該系統成為理想的理論驗證平臺，幫助科學家以全新視角理解已知的物理現象。也許使用超冷原子進行更精確的測量能夠使我們找到尚未被天文學家發現的新宇宙學現象。

▲ 物理學家通過“加熱”演示探測拓撲結構（Physicists Demonstrate Probing Topology by “Heating”）。圖片來源： IQOQI Innsbruck / Harald Ritsch。

我們不禁會問，這種用原子構造的宇宙模型究竟能揭示什么？如果系統B以特定方式模擬系統A，并展現出某些前所未見的現象，這是否意味著系統A也具有相同特性？還是說兩個系統其實并不相似？這類不同物理系統之間的類比研究的可信度究竟有多高？若被檢驗的宇宙學理論本身是錯誤的呢？之前的宇宙弦理論認為早期宇宙在膨脹過程中的冷卻會產生名為"宇宙弦"的巨大結構缺陷，凝聚態物理學家進行的氦-3實驗中快速冷卻產生的"量子渦旋"與這一理論的預測完全吻合。但宇宙弦理論與宇宙背景輻射的觀測結果相悖，因而被認為是大有問題的。這說明實驗室模型雖然驗證了理論方程的合理性，卻無法證明這些方程是否適用于真實宇宙。我想，這些問題也會為科學史家和科學哲學家帶來新的研究課題。

盡管其可靠性使人疑慮，但這種桌面實驗依然為宇宙學和量子引力這種理論遠多于證據的領域帶來了一些新的可能性。宇宙學家建立的膨脹方程同樣適用于原子凝聚態系統的變化，這反過來對理解相變等現象尤為有用，物理學家也可以基于源自宇宙學的優美方程來研究凝聚態效應。

參考文獻：

Eckel, S., Kumar, A., Jacobson, T., Spielman, I. & Campbell, G. Phys. Rev. X 8, 021021 (2018).

Elizabeth Gibney, Universe's first moments mimicked with ultracool atoms, Nature, 2018.