Dans les sous-sols du Kirchhoff-Institut für Physik en Allemagne, des chercheurs simulent l’Univers tel qu’il aurait pu exister peu après le Big Bang. Ils ont créé une simulation de champ quantique sur table qui implique l’utilisation d’aimants et de lasers pour contrôler un échantillon d’atomes de potassium 39 maintenu proche du zéro absolu. Ils utilisent ensuite des équations pour traduire les résultats à cette petite échelle afin d’explorer les caractéristiques possibles de l’Univers primitif.
Les travaux réalisés jusqu’à présent montrent qu’il est possible de simuler un Univers avec une courbure différente. Dans un univers à courbe positive, si vous voyagez dans n’importe quelle direction en ligne droite, vous reviendrez à votre point de départ. Dans un univers à courbe négative, l’espace est courbé en forme de selle. L’Univers est actuellement plat ou presque plat, selon Marius Sparn, doctorant au Kirchhoff-Institut für Physik. Mais au début de son existence, sa courbe aurait pu être plus positive ou négative.
Autour de la courbe
« Si vous avez une sphère vraiment énorme, comme la Terre ou quelque chose comme ça, si vous n’en voyez qu’une petite partie, vous ne savez pas : est-elle fermée ou est-elle infiniment ouverte ? » a déclaré Sabine Hossenfelder, membre du Centre de Munich pour la philosophie mathématique. «Cela devient vraiment une question philosophique. Les seules choses que nous savons proviennent de la partie de l’Univers que nous observons. Normalement, la façon dont les gens le formulent est que, pour autant que nous sachions, la courbure dans cette partie de l’Univers est compatible avec zéro.
Sparn a été l’un des auteurs d’un article de recherche intitulé « Quantum Field Simulator for Dynamics in Curved Spacetime », publié dans Nature en novembre 2022. Il a collaboré avec des scientifiques de Belgique, d’Espagne et d’Allemagne. L’équipe a étudié trois scénarios possibles pour l’expansion précoce de l’Univers : constante, accélérée et décélérée.
L’expérience sur table impliquait de placer le potassium-39 dans une cellule en verre entre un ensemble de grandes bobines magnétiques au-dessus et en dessous, a déclaré Sparn. Ces bobines magnétiques, ainsi que certains lasers, ont été utilisées pour contrôler le comportement de l’échantillon. Les atomes ont été piégés dans une fine couche qui peut être considérée comme bidimensionnelle, selon un communiqué de presse de l’Université de Heidelberg.
Lorsqu’il est refroidi à une température de 40 à 60 nanokelvins, a déclaré Sparn, le potassium-39 entre dans un état de mécanique quantique connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein. Les condensats de Bose-Einstein fonctionnent comme une seule mégaparticule, selon Ramon Szmuk, chef de produit chez Quantum Machines.
« Notre condensat de Bose-Einstein est un objet entièrement régi par la mécanique quantique car nous travaillons à des températures très, très basses », a déclaré Sparn. « L’équipe recherche alors de petites perturbations de [the] condensat. Vous pouvez donc l’imaginer comme de petites ondulations de fluctuations de densité. Celles-ci sont régies par la mécanique quantique.
« Une seule série de notre expérience se termine évidemment par la prise d’une photo », a déclaré Sparn. « Nous brillons donc dans une lumière qui résonne avec une transition atomique du potassium-39 et nous prenons des images d’absorption du nuage. Et au cours de ce processus, nous détruisons généralement notre condensat. Nous voyons moins de lumière là où il y a eu des atomes. Nous pouvons en extraire la densité des atomes. Notre résultat final est donc toujours une image de la distribution de densité de nos atomes. Et à partir de là, nous pouvons effectuer des analyses statistiques pour obtenir plus d’informations sur les résultats.
Univers alternatifs
Les scientifiques ont rassemblé des équations pour l’Univers et des équations pour le condensat de Bose-Einstein pour tirer des conclusions sur la façon dont l’Univers primitif aurait pu se comporter.
Sparn a déclaré que l’équipe avait simulé une courbure positive en augmentant la densité du potassium-39 sortant du centre de la configuration expérimentale. Ils ont simulé une courbure négative en la diminuant.
« Nous avons montré qu’il est possible de simuler des espaces-temps spatialement courbés et en expansion dans un condensat de Bose-Einstein », a déclaré Sparn. « C’est ce dont vous avez besoin pour un univers homogène et isotrope, ce qui devrait être une hypothèse juste à grande échelle. »
Au cours des dernières années, les scientifiques ont utilisé des systèmes atomiques quantiques pour trouver des analogies avec des systèmes complexes du cosmos, a déclaré Szmuk. Cela relie la physique atomique et l’astrophysique.
Nature, 2023. DOI : 10.1038/s41586-022-05313-9
Kat Frédéric est un ancien ingénieur en mécanique qui a débuté ses études en mathématiques appliquées, en ingénierie et en physique à l’Université du Wisconsin-Madison. Elle a obtenu un diplôme d’études supérieures axé sur le journalisme scientifique et environnemental et a édité sept publications d’information, dont deux qu’elle a cofondées. Elle est rédactrice en chef du magazine énergétique Solar Today.