BOSE-EINSTEIN KONDENSAT BISA MENAWARKAN WAWASAN KE PERTANYAAN KOSMOLOGIS YANG TIDAK DIJAWAB
Minggu, 29 April 2018
Ekspansi cepat dari Bose-Einstein condensate (BEC), awan atom didinginkan pada suhu yang sangat dekat dengan nol absolut di mana semua atom menempati keadaan kuantum yang sama, dapat meniru perluasan alam semesta awal, menurut sebuah tim. fisikawan dari Universitas Maryland, Institut Standar dan Teknologi Nasional (NIST) dan Institut Quantum Bersama. Pekerjaan mereka dipublikasikan di jurnal Physical Review X.
“Dari perspektif fisika atom, eksperimen kami digambarkan dengan indah oleh teori yang ada. Tetapi yang lebih mengejutkan adalah bagaimana teori itu terhubung dengan kosmologi, ”kata Dr. Stephen Eckel, seorang fisikawan atom di NIST.
Dalam beberapa rangkaian percobaan, Dr. Eckel dan rekan penulis dengan cepat memperluas ukuran BEC berbentuk donat, mengambil foto selama proses tersebut. Pertumbuhan terjadi begitu cepat sehingga awan tetap bersenandung, dan dengungan yang terkait mungkin muncul pada skala kosmik selama ekspansi cepat dari alam semesta awal - suatu zaman yang disebut oleh para kosmolog sebagai periode inflasi.
“Mungkin ini suatu hari nanti akan menginformasikan model kosmologi di masa depan. Atau sebaliknya. Mungkin akan ada model kosmologi yang sulit dipecahkan tetapi Anda dapat mensimulasikan menggunakan gas atom dingin, ”kata Dr. Eckel.
Ini bukan pertama kalinya para fisikawan menghubungkan KBG dan kosmologi. Studi sebelumnya menirukan lubang hitam dan mencari analog radiasi yang diprediksi akan mengalir keluar dari batas bayangan mereka.
Percobaan baru berfokus pada respons BEC terhadap ekspansi cepat, sebuah proses yang menunjukkan beberapa analogi terhadap apa yang mungkin terjadi selama periode inflasi.
Analogi pertama dan paling langsung melibatkan cara bahwa gelombang bergerak melalui medium yang berkembang. Situasi seperti itu tidak sering muncul dalam fisika, tetapi itu terjadi selama inflasi dalam skala besar. Selama ekspansi itu, ruang itu sendiri membentang setiap gelombang ke ukuran yang jauh lebih besar dan mencuri energi dari mereka melalui proses yang dikenal sebagai gesekan Hubble.
Dalam satu set eksperimen, Dr. Eckel dan rekan-rekannya menemukan fitur analog dalam BEC mereka.
Mereka menanamkan gelombang suara ke awan mereka - daerah bolak-balik lebih banyak atom dan lebih sedikit atom di sekitar ring, seperti gelombang di alam semesta awal - dan menyaksikannya menyebar selama ekspansi. Tidak mengherankan, gelombang suara mengentang, tetapi amplitudonya juga menurun.
Matematika menunjukkan bahwa redaman ini tampak seperti gesekan Hubble, dan perilaku itu ditangkap dengan baik oleh perhitungan dan simulasi numerik.
"Ini seperti kita memukul BEC dengan palu dan itu agak mengejutkan saya bahwa simulasi ini dengan sangat baik meniru apa yang sedang terjadi," kata rekan penulis Dr. Gretchen Campbell, co-director NIST dari Joint Quantum Institute.
Dalam serangkaian eksperimen kedua, para ilmuwan menemukan analogi lain yang lebih spekulatif.
Untuk tes ini, mereka membiarkan BEC bebas dari gelombang suara apa pun tetapi memprovokasi ekspansi yang sama, menonton bEC slosh bolak-balik sampai rileks.
Di satu sisi, relaksasi itu juga menyerupai inflasi. Beberapa energi yang mendorong perluasan Semesta akhirnya menciptakan semua materi dan cahaya di sekitar kita. Dan meskipun ada banyak teori tentang bagaimana ini terjadi, para ahli kosmologi tidak yakin bagaimana sisa energi itu diubah menjadi semua hal yang kita lihat hari ini.
Dalam BEC, energi ekspansi cepat ditransfer ke hal-hal seperti gelombang suara yang mengelilingi ring. Beberapa dugaan awal mengapa hal ini terjadi tampak menjanjikan, tetapi mereka tidak mampu memprediksi transfer energi secara akurat. Jadi penulis beralih ke simulasi numerik yang dapat menangkap gambaran fisika yang lebih lengkap.
Apa yang muncul adalah laporan rumit dari konversi energi: setelah ekspansi berhenti, atom-atom di tepi luar cincin mencapai batas baru mereka yang diperluas dan dipantulkan kembali ke pusat awan.
Di sana, mereka mengganggu atom yang masih bergerak ke luar, menciptakan zona di tengah di mana hampir tidak ada atom yang bisa hidup.
Atom di kedua sisi area yang tidak ramah ini memiliki properti kuantum yang tidak cocok, seperti dua jam di dekatnya yang tidak sinkron.
Situasi sangat tidak stabil dan akhirnya runtuh, yang mengarah ke penciptaan vortisitas di seluruh awan.
Vortisitas ini, atau pusaran air kuantum kecil, akan pecah dan menghasilkan gelombang suara yang mengalir di sekitar ring, seperti partikel dan radiasi yang tersisa setelah inflasi.
Beberapa vortex bahkan lolos dari tepi BEC, menciptakan ketidakseimbangan yang membuat awan berputar.
Tidak seperti analogi dengan gesekan Hubble, cerita rumit tentang bagaimana atom tumpah dapat menciptakan lusinan pusaran kuantum mungkin tidak memiliki kemiripan dengan apa yang terjadi selama dan setelah inflasi.
Eksperimen masa depan dapat mempelajari transfer energi yang rumit selama ekspansi lebih dekat, atau bahkan mencari analogi kosmologis lebih lanjut.
“Yang menyenangkan adalah bahwa dari hasil ini, kita sekarang tahu bagaimana merancang eksperimen di masa depan untuk menargetkan efek yang berbeda yang kami harap dapat dilihat. Dan ketika para ahli teori datang dengan model, itu memberi kita testbed di mana kita benar-benar dapat mempelajari model-model itu dan melihat apa yang terjadi, ”kata Dr. Campbell.
Source :
http://www.sci-news.com/physics/bose-einstein-condensate-cosmological-questions-05935.html
Kondensat Bose-Einstein yang membentang dan berbentuk cincin memiliki beberapa fitur mencolok dengan alam semesta awal. Kredit gambar: Emily Edwards, Universitas Maryland.
Dalam beberapa rangkaian percobaan, Dr. Eckel dan rekan penulis dengan cepat memperluas ukuran BEC berbentuk donat, mengambil foto selama proses tersebut. Pertumbuhan terjadi begitu cepat sehingga awan tetap bersenandung, dan dengungan yang terkait mungkin muncul pada skala kosmik selama ekspansi cepat dari alam semesta awal - suatu zaman yang disebut oleh para kosmolog sebagai periode inflasi.
“Mungkin ini suatu hari nanti akan menginformasikan model kosmologi di masa depan. Atau sebaliknya. Mungkin akan ada model kosmologi yang sulit dipecahkan tetapi Anda dapat mensimulasikan menggunakan gas atom dingin, ”kata Dr. Eckel.
Ini bukan pertama kalinya para fisikawan menghubungkan KBG dan kosmologi. Studi sebelumnya menirukan lubang hitam dan mencari analog radiasi yang diprediksi akan mengalir keluar dari batas bayangan mereka.
Percobaan baru berfokus pada respons BEC terhadap ekspansi cepat, sebuah proses yang menunjukkan beberapa analogi terhadap apa yang mungkin terjadi selama periode inflasi.
Analogi pertama dan paling langsung melibatkan cara bahwa gelombang bergerak melalui medium yang berkembang. Situasi seperti itu tidak sering muncul dalam fisika, tetapi itu terjadi selama inflasi dalam skala besar. Selama ekspansi itu, ruang itu sendiri membentang setiap gelombang ke ukuran yang jauh lebih besar dan mencuri energi dari mereka melalui proses yang dikenal sebagai gesekan Hubble.
Dalam satu set eksperimen, Dr. Eckel dan rekan-rekannya menemukan fitur analog dalam BEC mereka.
Mereka menanamkan gelombang suara ke awan mereka - daerah bolak-balik lebih banyak atom dan lebih sedikit atom di sekitar ring, seperti gelombang di alam semesta awal - dan menyaksikannya menyebar selama ekspansi. Tidak mengherankan, gelombang suara mengentang, tetapi amplitudonya juga menurun.
Matematika menunjukkan bahwa redaman ini tampak seperti gesekan Hubble, dan perilaku itu ditangkap dengan baik oleh perhitungan dan simulasi numerik.
"Ini seperti kita memukul BEC dengan palu dan itu agak mengejutkan saya bahwa simulasi ini dengan sangat baik meniru apa yang sedang terjadi," kata rekan penulis Dr. Gretchen Campbell, co-director NIST dari Joint Quantum Institute.
Dalam serangkaian eksperimen kedua, para ilmuwan menemukan analogi lain yang lebih spekulatif.
Untuk tes ini, mereka membiarkan BEC bebas dari gelombang suara apa pun tetapi memprovokasi ekspansi yang sama, menonton bEC slosh bolak-balik sampai rileks.
Di satu sisi, relaksasi itu juga menyerupai inflasi. Beberapa energi yang mendorong perluasan Semesta akhirnya menciptakan semua materi dan cahaya di sekitar kita. Dan meskipun ada banyak teori tentang bagaimana ini terjadi, para ahli kosmologi tidak yakin bagaimana sisa energi itu diubah menjadi semua hal yang kita lihat hari ini.
Dalam BEC, energi ekspansi cepat ditransfer ke hal-hal seperti gelombang suara yang mengelilingi ring. Beberapa dugaan awal mengapa hal ini terjadi tampak menjanjikan, tetapi mereka tidak mampu memprediksi transfer energi secara akurat. Jadi penulis beralih ke simulasi numerik yang dapat menangkap gambaran fisika yang lebih lengkap.
Apa yang muncul adalah laporan rumit dari konversi energi: setelah ekspansi berhenti, atom-atom di tepi luar cincin mencapai batas baru mereka yang diperluas dan dipantulkan kembali ke pusat awan.
Di sana, mereka mengganggu atom yang masih bergerak ke luar, menciptakan zona di tengah di mana hampir tidak ada atom yang bisa hidup.
Atom di kedua sisi area yang tidak ramah ini memiliki properti kuantum yang tidak cocok, seperti dua jam di dekatnya yang tidak sinkron.
Situasi sangat tidak stabil dan akhirnya runtuh, yang mengarah ke penciptaan vortisitas di seluruh awan.
Vortisitas ini, atau pusaran air kuantum kecil, akan pecah dan menghasilkan gelombang suara yang mengalir di sekitar ring, seperti partikel dan radiasi yang tersisa setelah inflasi.
Beberapa vortex bahkan lolos dari tepi BEC, menciptakan ketidakseimbangan yang membuat awan berputar.
Tidak seperti analogi dengan gesekan Hubble, cerita rumit tentang bagaimana atom tumpah dapat menciptakan lusinan pusaran kuantum mungkin tidak memiliki kemiripan dengan apa yang terjadi selama dan setelah inflasi.
Eksperimen masa depan dapat mempelajari transfer energi yang rumit selama ekspansi lebih dekat, atau bahkan mencari analogi kosmologis lebih lanjut.
“Yang menyenangkan adalah bahwa dari hasil ini, kita sekarang tahu bagaimana merancang eksperimen di masa depan untuk menargetkan efek yang berbeda yang kami harap dapat dilihat. Dan ketika para ahli teori datang dengan model, itu memberi kita testbed di mana kita benar-benar dapat mempelajari model-model itu dan melihat apa yang terjadi, ”kata Dr. Campbell.
Source :
http://www.sci-news.com/physics/bose-einstein-condensate-cosmological-questions-05935.html
