德国海德堡大学的研究团队在真空中冷却了2万多个钾-39原子形成二维玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC），并通过可调控的光阱和原子间相互作用强度实现了一个量子场模拟器。在此基础上，研究团队实现了弯曲时空下波包的传播，再现了早期宇宙模型中预测的量子场行为。对于时间和空间的不同曲率，模拟结果与理论分析预测达成定量一致，为模拟膨胀宇宙中的量子场演变提供了一个新工具。在未来，对实验装置进一步的升级将提供进入未被探索的区域的可能性，有望使人们能够进一步洞察相对论量子场动力学。该成果于11月9日发表在《自然》杂志上。
通过分析宇宙的大尺度结构，宇宙学家推断出空间在大爆炸后的瞬间迅速膨胀。在暴涨过程中，宇宙是空的，除了真空中存在的量子场。这些场是如何在膨胀的宇宙的弯曲时空中演变的，仍然是一个悬而未决的问题，其解决方案可能有助于科学家理解粒子是如何产生的。重现弯曲的时空极富挑战，因为它需要对系统的空间方面和时间方面进行扭曲。空间曲率涉及系统的几何形状：它是平坦的、球形的还是双曲的。时间曲率涉及系统的演变：它是扩张、收缩还是静态。1980年，加拿大不列颠哥伦比亚大学的William Unruh指出，在移动流体中传播的声波与在弯曲时空中传播的光波有相似之处。从那时起，人们开发了多种类型的模拟器，它们均利用流体的流动来再现曲率的效应。
在这些概念的基础上，海德堡大学的研究人员基于静止的BEC流体，实现了对弯曲时空的模拟。他们巧妙的利用数字微镜阵列来控制囚禁原子的势阱，精确地设定了原子密度的空间分布，实现了不同的空间曲率；而时间的效应则通过动态的调控原子间相互作用强度来实现。通过这些量子调控手段，研究团队使得超冷钾-39原子遵循一个叫做空间度规的方程式，它决定了真实宇宙的弯曲程度、光的传播速度以及光在大质量物体附近必须弯曲的程度。Oberthaler说，这是第一个使用冷原子来模拟弯曲和膨胀的宇宙的实验。为了验证他们的BEC近似于一个空间弯曲的几何体，研究人员在BEC的中心附近聚焦了一束激光，激发并观察到了由量子化的声波——声子所带来的密度波动。对于双曲和球形的几何空间，他们测量了这些声子从焦点向外传播的位置，发现其轨迹与理论预测相符。为了实现时间的弯曲，研究小组对BEC施加了一个可动态调控的均匀磁场，这改变了钾-39原子之间的微观相互作用强度。通过含时的减弱相互作用强度，BEC会表现得就像它在膨胀一样。Oberthaler说：“这是一个重要的步骤，因为我们可以在不主动扩大系统或改变密度分布的情况下实现膨胀。”研究人员观察到，当相互作用强度降低后，密度波动极大地被增强了。该现象对应了声子场中的“粒子产生”，与量子场论对宇宙膨胀的预测一致。他们还细致研究了密度波动在加速、减速和均匀膨胀情况下是如何随时间演变的。结果表明，密度波动的时间演化与膨胀宇宙模型所预言的Sakharov振荡相吻合。
印第安纳州普渡大学从事超冷量子气体研究的物理学家Chen-Lung Hung说，这次演示将几十年的理论和实验概念结合在一起。“这些工具早已存在，但这是第一次将所有要素很好地结合起来实现弯曲的时空并观测到重要的实验特征。这项技术未来有望模拟声学黑洞，从而可以在桌面实验中实时的观测到量子场在这些新颖的空间几何中的演化。
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https://www.nature.com/articles/s41586-022-05313-9
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