Des chercheurs jouant avec un nuage d'atomes ultrafroids ont découvert un comportement qui ressemble de façon frappante à l'univers en microcosme. Leur travail, qui forge de nouvelles connexions entre la physique atomique et l'expansion soudaine de l'univers primitif, a été publié le 19 avril dans Examen physique X et présenté dans La physique .

« Du point de vue de la physique atomique, l'expérience est magnifiquement décrite par la théorie existante, " dit Stephen Eckel, un physicien atomique à l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) et l'auteur principal du nouvel article. "Mais encore plus frappant est la façon dont cette théorie se connecte à la cosmologie."

Dans plusieurs séries d'expériences, Eckel et ses collègues ont rapidement agrandi la taille d'un nuage d'atomes en forme de beignet, prendre des instantanés pendant le processus. La croissance est si rapide que le nuage bourdonne, et un bourdonnement connexe peut être apparu à des échelles cosmiques pendant l'expansion rapide de l'univers primitif - une époque que les cosmologistes appellent la période d'inflation.

Les travaux ont réuni des experts en physique atomique et en gravité, et les auteurs disent que cela témoigne de la polyvalence du condensat de Bose-Einstein (BEC) - un nuage d'atomes ultrafroid qui peut être décrit comme un seul objet quantique - en tant que plate-forme pour tester des idées d'autres domaines de la physique.

"Peut-être que cela informera un jour les futurs modèles de cosmologie, " dit Eckel. "Ou vice versa. Peut-être y aura-t-il un modèle de cosmologie difficile à résoudre mais que vous pourriez simuler à l'aide d'un gaz atomique froid."

Ce n'est pas la première fois que des chercheurs relient les BEC et la cosmologie. Des études antérieures imitaient les trous noirs et recherchaient des analogues du rayonnement prévu pour sortir de leurs limites sombres. Les nouvelles expériences se concentrent plutôt sur la réponse du BEC à une expansion rapide, un processus qui suggère plusieurs analogies avec ce qui a pu se produire pendant la période d'inflation.

La première et la plus directe analogie concerne la façon dont les ondes traversent un milieu en expansion. Une telle situation ne se présente pas souvent en physique, mais cela s'est produit pendant l'inflation à grande échelle. Au cours de cette expansion, l'espace lui-même a étiré toutes les vagues à des tailles beaucoup plus grandes et leur a volé de l'énergie grâce à un processus connu sous le nom de friction de Hubble.

Dans une série d'expériences, les chercheurs ont repéré des caractéristiques analogues dans leur nuage d'atomes. Ils ont imprimé une onde sonore sur leur nuage - des régions alternées de plus d'atomes et de moins d'atomes autour de l'anneau, comme une vague dans l'univers primitif - et l'a regardé se disperser pendant l'expansion. Sans surprise, l'onde sonore s'étendit, mais son amplitude a également diminué. Les calculs ont révélé que cet amortissement ressemblait à un frottement de Hubble, et le comportement a été bien capturé par des calculs et des simulations numériques.

"C'est comme si on frappait le BEC avec un marteau, " dit Gretchen Campbell, le co-directeur NIST du Joint Quantum Institute (JQI) et co-auteur de l'article, "et c'est un peu choquant pour moi que ces simulations reproduisent si bien ce qui se passe."

Dans une deuxième série d'expériences, l'équipe en a découvert un autre, analogie plus spéculative. Pour ces tests ils ont laissé le BEC libre de toute onde sonore mais ont provoqué la même expansion, regarder le BEC aller et venir jusqu'à ce qu'il se détende.

Dans un sens, cette détente ressemblait aussi à de l'inflation. Une partie de l'énergie qui a conduit à l'expansion de l'univers a fini par créer toute la matière et la lumière qui nous entourent. Et bien qu'il existe de nombreuses théories sur la façon dont cela s'est produit, les cosmologistes ne savent pas exactement comment cette énergie restante a été convertie en tout ce que nous voyons aujourd'hui.

Au BEC, l'énergie de l'expansion a été rapidement transférée à des choses comme les ondes sonores se déplaçant autour de l'anneau. Certaines premières suppositions expliquant pourquoi cela se produisait semblaient prometteuses, mais ils n'ont pas réussi à prédire le transfert d'énergie avec précision. L'équipe s'est donc tournée vers des simulations numériques qui pourraient capturer une image plus complète de la physique.

Ce qui en est ressorti était un compte rendu compliqué de la conversion d'énergie :après l'arrêt de l'expansion, les atomes au bord extérieur de l'anneau frappent leur nouveau, limite élargie et s'est réfléchie vers le centre du nuage. Là, ils interféraient avec les atomes voyageant toujours vers l'extérieur, créant une zone au milieu où presque aucun atome ne pourrait vivre. Les atomes de chaque côté de cette zone inhospitalière avaient des propriétés quantiques incompatibles, comme deux horloges voisines désynchronisées.

La situation était très instable et a fini par s'effondrer, conduisant à la création de vortex dans tout le cloud. Ces tourbillons, ou petits tourbillons quantiques, se briserait et générerait des ondes sonores qui couraient autour de l'anneau, comme les particules et les radiations restantes après le gonflage. Certains tourbillons se sont même échappés du bord du BEC, créant un déséquilibre qui a laissé le nuage en rotation.

Contrairement à l'analogie avec le frottement de Hubble, l'histoire compliquée de la façon dont les atomes ballottés peuvent créer des dizaines de tourbillons quantiques peut ne ressembler en rien à ce qui se passe pendant et après l'inflation. Mais Ted Jacobson, co-auteur du nouvel article et professeur de physique à l'Université du Maryland spécialisé dans les trous noirs, dit que son interaction avec les physiciens atomiques a produit des avantages en dehors de ces résultats techniques.

"Ce que j'ai appris d'eux, et en pensant tant à une expérience comme celle-là, sont de nouvelles façons de penser le problème de la cosmologie, " dit Jacobson. " Et ils ont appris à penser à des aspects du BEC auxquels ils n'auraient jamais pensé auparavant. Reste à savoir si ceux-ci sont utiles ou importants, mais c'était certainement stimulant."

Eckel fait écho à la même pensée. "Ted m'a fait penser différemment aux processus dans les BEC, " il dit, "et chaque fois que vous abordez un problème et que vous pouvez le voir sous un angle différent, cela vous donne une meilleure chance de résoudre réellement ce problème."

De futures expériences pourraient étudier de plus près le transfert compliqué d'énergie pendant l'expansion, ou même rechercher d'autres analogies cosmologiques. "Ce qui est bien, c'est qu'à partir de ces résultats, on sait désormais concevoir des expérimentations dans le futur pour cibler les différents effets que l'on espère voir, " Dit Campbell. " Et comme les théoriciens proposent des modèles, cela nous donne un banc d'essai où nous pourrions réellement étudier ces modèles et voir ce qui se passe."