宇宙诞生后的最初时刻被笼罩在神秘之中，部分原因是我们无法回溯到足够久远的时间去观察这个古老时代所发生的一切。科学家们认为宇宙一定在大爆炸之后经历了一次巨大的膨胀，但根本不清楚这一快速膨胀阶段是如何展开的。
据周三发表在《自然》杂志上的一项研究报道，现在，一组物理学家用一个由超冷原子组成的“量子场模拟器”创造了一种微小的不断膨胀的宇宙。该实验能够模拟弯曲时空的不同版本，这些版本对应于宇宙的几何模型，比如球形的或双曲的。除了许多其他因素外，这些可调时空曲率影响粒子的产生。
该实验的目的是探索在实验室中不同场景下与早期宇宙相似的动力学，并能够暂停整个系统并更近距离地分析它——这是你在真实宇宙中无法做到的。
该团队在研究中表示，实验的成功表明，类似的模拟器“提供了进入量子物理学中未探索领域的可能性”。量子物理学是研究原子微小尺度上的物质和能量的学科。虽然没有任何实验可以产生与早期宇宙直接相似的条件，但这项新研究探测的机制可能与大爆炸后控制时空和粒子产生的物理学有些类似。
“我们肯定不是第一个做某种膨胀或显示这种粒子产生的实验，”德国海德堡大学的实验物理学家尼古拉斯·利伯斯特(Nikolas Liebster)在与Motherboard的电话中说，他是该研究的合著者。“但我们是第一个把它放在这种特定的背景下，这些不同类型的膨胀历史——比如加速的宇宙，减速的宇宙，或不断膨胀的宇宙——如何改变你产生的粒子。”
“这些模拟宇宙学和模拟引力实验的一般作用是能够看到，如果我有一个类似于某种宇宙学模型的系统——无论是流体力学模型，还是量子模型，或所有这些类型的东西——我可以做什么实验来更多地了解在宇宙历史的宇宙学背景下可能发生了什么?”liebst指出。“这些实验如何进一步推动这一理论，加深我们对人类是如何走到今天这一步的理解?”
李伯斯特和他的同事们通过将大约20,000个钾-39原子冷却到略高于绝对零度(大约-400华氏度)的温度来探索这些问题。在这种寒冷的环境中，原子形成了所谓的玻色-爱因斯坦凝聚态，这是一种物质状态，可以用来模拟黑洞周围或早期宇宙中发生的各种奇异的物理现象。
这个实验中的冷凝物是一种超流体，这意味着一种没有粘性的流体，它的形状像一个二维煎饼。该设置可以调整，以模拟不同的宇宙膨胀理论以及不同类型的时空曲率，如平面模型、球面模型和双曲模型。
通过让声波穿过凝聚态——一种光穿过宇宙的模拟——liebster和他的同事能够检查每个模型的奇怪物理，这些模型可能与早期宇宙中出现的那些模型相似。实验中的声波在真实宇宙中发挥了光波的作用，因为声波通过凝聚态的路径受到不同构型的影响。
李伯斯特解释说:“可能在过去，我们的宇宙有不同种类的空间曲率，这就是我们可以在我们的系统中调整的地方。”“我们可以控制这些参数。”
他继续说:“声波在系统中的移动方式是检查两点之间最短路径的一种非常有效的方法，因为声波总是走最短路径。”“声波就像真实宇宙学中的光波。它们具有相同的特性，这就是为什么我们用它们来探测我们的时空。”
通过这种方式，该团队可以模拟宇宙膨胀的模型，可以停止，以检查其背后的动力学，Liebster称之为“宇宙学中的一个梦想。”总的来说，该实验匹配了不同时空曲率的理论预测，验证了这种模拟器方法，尽管它没有确认或反驳当时早期宇宙的任何特定模型。
Liebster说:“我们的工作主要是测试我们的模拟器是否有效。”“你可以问很多非常有趣的理论问题，关于不同种类的时空曲率和空间曲率，以及它们的影响是什么”，但他补充说，“在我们可以与真实宇宙进行直接一对一的比较之前，还有很多障碍需要克服”。
“说到底，这都是一种近似，”李伯斯特继续说。“我会谨慎地说，宇宙学有非常具体的结果。但我们知道，对于这个模型系统的这些特定假设，它与理论非常吻合，现在我们可以提出现有理论无法回答的问题。”
为此，研究人员概述了量子物理学中的一系列基本问题，这些问题可以用未来版本的模拟器进行探索。我们将需要来自多个物理领域的专家来解开这些关于我们所处的奇异宇宙的长期问题的答案，但至少路线图正变得越来越清晰
“我并不认为我们已经接近发现宇宙大爆炸的秘密了，”Liebster总结道。“但即使是这种理论和实验之间的合作——提出哪些问题我们能回答而你不能回答，哪些问题你能回答而我们不能回答——也是非常激励人的。”
