一提到宇宙早期的情況，我們立馬想到的就是用望遠(yuǎn)鏡去看看那時(shí)候究竟發(fā)生了什么。然而，通過望遠(yuǎn)鏡來觀察早期宇宙也并非易事，因?yàn)槟切┻b遠(yuǎn)的信號(hào)到達(dá)地球時(shí)已變得極其微弱，常常隱沒在背景噪聲之中難以分辨。更麻煩的是，極早期的宇宙對(duì)光來說是不透明的，壓根看不見什么。 而且，宇宙早期那種極端條件幾乎不可能在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)。因此，要檢驗(yàn)相關(guān)理論是很困難的。

乍聽起來，用接近絕對(duì)零度（-273.15℃）的超冷原子模擬宇宙初期那種極高溫度的狀態(tài)有些令人匪夷所思。這看似矛盾的操作，實(shí)際上又一次給一種在物理學(xué)中并不罕見的現(xiàn)象提供了實(shí)例：不同尺度和能標(biāo)的物理系統(tǒng)可能服從某些極其類似的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，可以用同一微分方程來描述。至于為什么會(huì)發(fā)生這種情況，則是一個(gè)深?yuàn)W的、值得進(jìn)一步探究的科學(xué)/哲學(xué)問題，這里我們不做詳細(xì)討論。下面我們通過一項(xiàng)工作，來具體看一下這些用激光和磁場(chǎng)操縱原子的凝聚態(tài)物理學(xué)家們是怎樣通過他們的實(shí)驗(yàn)幫助我們理解宇宙演化的。

▲ 超冷原子揭示早期宇宙的劇烈膨脹（ Ultracold Atoms Provide Insight into Early Universe's Dramatic Expansion ）。圖片來源 : Emily Edwards, Joint Quantum Institute。

宇宙學(xué)家認(rèn)為，宇宙在誕生之初曾從亞原子尺度快速膨脹至比西瓜更大的尺寸。在2018年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（National Institute of Standards and Technology）和馬里蘭大學(xué)（University of Maryland）的物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中用超冷原子構(gòu)建的宇宙模型成功模擬了宇宙早期的膨脹過程。他們將數(shù)十萬個(gè)原子冷卻至接近絕對(duì)零度（僅高出其十億分之幾度），這些原子進(jìn)入玻色-愛因斯坦凝聚狀態(tài)。那么，什么是“玻色-愛因斯坦凝聚”呢？當(dāng)溫度足夠低的時(shí)候，幾乎所有的原子都將占據(jù)到最低能態(tài)上，它們開始失去“個(gè)性”，變得步調(diào)一致，像一個(gè)巨大的“超級(jí)原子”， 一起展現(xiàn)出量子特性。通過快速擴(kuò)大環(huán)形原子云的尺寸，科學(xué)家模擬出了早期宇宙空間膨脹過程中光波被拉伸和衰減的現(xiàn)象。

▲ 計(jì)算機(jī)模擬的 玻色-愛因斯坦凝聚。 圖片來源: NASA/NIST。

這一工作的完成者之一Stephen Eckel指出，在玻色-愛因斯坦凝聚體中傳播的聲波遵循著與宇宙黎明之時(shí)光波在真空中傳播完全相同的數(shù)學(xué)方程。研究團(tuán)隊(duì)通過激光將原子束縛在環(huán)形結(jié)構(gòu)中，并利用鏡面陣列精確操控光束以調(diào)節(jié)被固定的粒子。為模擬宇宙膨脹過程，他們保持環(huán)形結(jié)構(gòu)半徑以聲速擴(kuò)張。向系統(tǒng)中注入聲波后，再通過快速成像技術(shù)記錄環(huán)形結(jié)構(gòu)膨脹過程中聲波的演化過程。他們觀察到：隨著環(huán)形結(jié)構(gòu)擴(kuò)張，聲波波長(zhǎng)相應(yīng)增加——這種現(xiàn)象高度模擬了宇宙學(xué)中的紅移效應(yīng)（即空間膨脹導(dǎo)致光波被拉伸從而使波長(zhǎng)變長(zhǎng)）。同時(shí)他們還檢測(cè)到波的強(qiáng)度在膨脹過程中逐漸衰減，這對(duì)應(yīng)著早期宇宙中光波因?qū)⒛芰總鬟f給膨脹空間而導(dǎo)致振幅衰減。團(tuán)隊(duì)還觀測(cè)到了名為"預(yù)加熱（preheating）"的復(fù)雜效應(yīng)的跡象。宇宙學(xué)家認(rèn)為該現(xiàn)象發(fā)生于暴脹末期，初始快速膨脹蘊(yùn)含的能量耗散后形成了當(dāng)今觀測(cè)到的各種粒子。當(dāng)超冷原子的膨脹停止時(shí)，聲波會(huì)來回震蕩，最終通過一系列渦旋耗散成沿環(huán)傳播的波。這種能量重新分布的過程與預(yù)加熱理論高度吻合，但其發(fā)生速度遠(yuǎn)超預(yù)期，且呈現(xiàn)方式與現(xiàn)有的宇宙學(xué)理論存在差異。

這一系統(tǒng)可能還能模擬早期宇宙密度變化如何影響星系等結(jié)構(gòu)的形成等現(xiàn)象。此前已有人利用類似的系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室模擬黑洞。盡管目前尚不確定凝聚態(tài)物理學(xué)能否一定能為宇宙學(xué)帶來新東西，但我們可以期待通過加強(qiáng)這種橫跨物理學(xué)不同分支的類比研究，使該系統(tǒng)成為理想的理論驗(yàn)證平臺(tái)，幫助科學(xué)家以全新視角理解已知的物理現(xiàn)象。也許使用超冷原子進(jìn)行更精確的測(cè)量能夠使我們找到尚未被天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的新宇宙學(xué)現(xiàn)象。

▲ 物理學(xué)家通過“加熱”演示探測(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Physicists Demonstrate Probing Topology by “Heating”）。圖片來源： IQOQI Innsbruck / Harald Ritsch。

我們不禁會(huì)問，這種用原子構(gòu)造的宇宙模型究竟能揭示什么？如果系統(tǒng)B以特定方式模擬系統(tǒng)A，并展現(xiàn)出某些前所未見的現(xiàn)象，這是否意味著系統(tǒng)A也具有相同特性？還是說兩個(gè)系統(tǒng)其實(shí)并不相似？這類不同物理系統(tǒng)之間的類比研究的可信度究竟有多高？若被檢驗(yàn)的宇宙學(xué)理論本身是錯(cuò)誤的呢？之前的宇宙弦理論認(rèn)為早期宇宙在膨脹過程中的冷卻會(huì)產(chǎn)生名為"宇宙弦"的巨大結(jié)構(gòu)缺陷，凝聚態(tài)物理學(xué)家進(jìn)行的氦-3實(shí)驗(yàn)中快速冷卻產(chǎn)生的"量子渦旋"與這一理論的預(yù)測(cè)完全吻合。但宇宙弦理論與宇宙背景輻射的觀測(cè)結(jié)果相悖，因而被認(rèn)為是大有問題的。這說明實(shí)驗(yàn)室模型雖然驗(yàn)證了理論方程的合理性，卻無法證明這些方程是否適用于真實(shí)宇宙。我想，這些問題也會(huì)為科學(xué)史家和科學(xué)哲學(xué)家?guī)硇碌难芯空n題。

盡管其可靠性使人疑慮，但這種桌面實(shí)驗(yàn)依然為宇宙學(xué)和量子引力這種理論遠(yuǎn)多于證據(jù)的領(lǐng)域帶來了一些新的可能性。宇宙學(xué)家建立的膨脹方程同樣適用于原子凝聚態(tài)系統(tǒng)的變化，這反過來對(duì)理解相變等現(xiàn)象尤為有用，物理學(xué)家也可以基于源自宇宙學(xué)的優(yōu)美方程來研究凝聚態(tài)效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

Eckel, S., Kumar, A., Jacobson, T., Spielman, I. & Campbell, G. Phys. Rev. X 8, 021021 (2018).

Elizabeth Gibney, Universe's first moments mimicked with ultracool atoms, Nature, 2018.