为什么可以使用「超冷原子试验」来模拟宇宙早期？通过这个实验我们可以获得什么？| 物理问答室（3）

一提到宇宙早期的情况，我们立马想到的就是用望远镜去看看那时候究竟发生了什么。然而，通过望远镜来观察早期宇宙也并非易事，因为那些遥远的信号到达地球时已变得极其微弱，常常隐没在背景噪声之中难以分辨。更麻烦的是，极早期的宇宙对光来说是不透明的，压根看不见什么。 而且，宇宙早期那种极端条件几乎不可能在实验室中重现。因此，要检验相关理论是很困难的。

乍听起来，用接近绝对零度（-273.15℃）的超冷原子模拟宇宙初期那种极高温度的状态有些令人匪夷所思。这看似矛盾的操作，实际上又一次给一种在物理学中并不罕见的现象提供了实例：不同尺度和能标的物理系统可能服从某些极其类似的动力学规律，可以用同一微分方程来描述。至于为什么会发生这种情况，则是一个深奥的、值得进一步探究的科学/哲学问题，这里我们不做详细讨论。下面我们通过一项工作，来具体看一下这些用激光和磁场操纵原子的凝聚态物理学家们是怎样通过他们的实验帮助我们理解宇宙演化的。

▲ 超冷原子揭示早期宇宙的剧烈膨胀（ Ultracold Atoms Provide Insight into Early Universe's Dramatic Expansion ）。图片来源 : Emily Edwards, Joint Quantum Institute。

宇宙学家认为，宇宙在诞生之初曾从亚原子尺度快速膨胀至比西瓜更大的尺寸。在2018年，美国国家标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology）和马里兰大学（University of Maryland）的物理学家在实验室中用超冷原子构建的宇宙模型成功模拟了宇宙早期的膨胀过程。他们将数十万个原子冷却至接近绝对零度（仅高出其十亿分之几度），这些原子进入玻色-爱因斯坦凝聚状态。那么，什么是“玻色-爱因斯坦凝聚”呢？当温度足够低的时候，几乎所有的原子都将占据到最低能态上，它们开始失去“个性”，变得步调一致，像一个巨大的“超级原子”， 一起展现出量子特性。通过快速扩大环形原子云的尺寸，科学家模拟出了早期宇宙空间膨胀过程中光波被拉伸和衰减的现象。

▲ 计算机模拟的 玻色-爱因斯坦凝聚。 图片来源: NASA/NIST。

这一工作的完成者之一Stephen Eckel指出，在玻色-爱因斯坦凝聚体中传播的声波遵循着与宇宙黎明之时光波在真空中传播完全相同的数学方程。研究团队通过激光将原子束缚在环形结构中，并利用镜面阵列精确操控光束以调节被固定的粒子。为模拟宇宙膨胀过程，他们保持环形结构半径以声速扩张。向系统中注入声波后，再通过快速成像技术记录环形结构膨胀过程中声波的演化过程。他们观察到：随着环形结构扩张，声波波长相应增加——这种现象高度模拟了宇宙学中的红移效应（即空间膨胀导致光波被拉伸从而使波长变长）。同时他们还检测到波的强度在膨胀过程中逐渐衰减，这对应着早期宇宙中光波因将能量传递给膨胀空间而导致振幅衰减。团队还观测到了名为"预加热（preheating）"的复杂效应的迹象。宇宙学家认为该现象发生于暴胀末期，初始快速膨胀蕴含的能量耗散后形成了当今观测到的各种粒子。当超冷原子的膨胀停止时，声波会来回震荡，最终通过一系列涡旋耗散成沿环传播的波。这种能量重新分布的过程与预加热理论高度吻合，但其发生速度远超预期，且呈现方式与现有的宇宙学理论存在差异。

这一系统可能还能模拟早期宇宙密度变化如何影响星系等结构的形成等现象。此前已有人利用类似的系统在实验室模拟黑洞。尽管目前尚不确定凝聚态物理学能否一定能为宇宙学带来新东西，但我们可以期待通过加强这种横跨物理学不同分支的类比研究，使该系统成为理想的理论验证平台，帮助科学家以全新视角理解已知的物理现象。也许使用超冷原子进行更精确的测量能够使我们找到尚未被天文学家发现的新宇宙学现象。

▲ 物理学家通过“加热”演示探测拓扑结构（Physicists Demonstrate Probing Topology by “Heating”）。图片来源： IQOQI Innsbruck / Harald Ritsch。

我们不禁会问，这种用原子构造的宇宙模型究竟能揭示什么？如果系统B以特定方式模拟系统A，并展现出某些前所未见的现象，这是否意味着系统A也具有相同特性？还是说两个系统其实并不相似？这类不同物理系统之间的类比研究的可信度究竟有多高？若被检验的宇宙学理论本身是错误的呢？之前的宇宙弦理论认为早期宇宙在膨胀过程中的冷却会产生名为"宇宙弦"的巨大结构缺陷，凝聚态物理学家进行的氦-3实验中快速冷却产生的"量子涡旋"与这一理论的预测完全吻合。但宇宙弦理论与宇宙背景辐射的观测结果相悖，因而被认为是大有问题的。这说明实验室模型虽然验证了理论方程的合理性，却无法证明这些方程是否适用于真实宇宙。我想，这些问题也会为科学史家和科学哲学家带来新的研究课题。

尽管其可靠性使人疑虑，但这种桌面实验依然为宇宙学和量子引力这种理论远多于证据的领域带来了一些新的可能性。宇宙学家建立的膨胀方程同样适用于原子凝聚态系统的变化，这反过来对理解相变等现象尤为有用，物理学家也可以基于源自宇宙学的优美方程来研究凝聚态效应。

参考文献：

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.