El movimiento de ondas de sonido a través de un líquido superfluido permite a los científicos modelar la evolución del universo en una escala de tiempo razonable.

Comprender cómo evolucionó el universo en su conjunto es quizás uno de los problemas más importantes y fundamentales de la física. Los principales obstáculos para esto son la dificultad de reproducir las condiciones extremas inmediatamente después del Big Bang y nuestra incapacidad para simular el lapso de tiempo de estos procesos: millones, a veces miles de millones de años.

Para facilitar el estudio experimental de la evolución cosmológica, necesitamos encontrar un sistema físico cuya descripción teórica sea idéntica a la de nuestro universo en expansión, pero en un tamaño y una escala de tiempo que sean muchos órdenes de magnitud más pequeños, y que sea reproducible en el laboratorio. .

Ondas moviéndose en líquido para modelar un universo en expansión

El primer indicio de un posible modelo apareció ya en 1980, cuando William Unruh, físico de la Universidad de Columbia Británica, descubrió que la propagación de ondas en un líquido en movimiento es matemáticamente similar al movimiento de partículas en nuestro espacio-tiempo. que, según la Relatividad más general de Einstein, es por definición curva debido a la presencia de diferentes campos y partículas en movimiento que interactúan.

Sobre la base de esta idea, un equipo de físicos de la Universidad de Heidelberg propuso en un estudio publicado recientemente Naturaleza que la descripción teórica del universo en expansión y la forma en que se comporta la materia en él corresponde al movimiento de las ondas de sonido en un líquido superfluido, una fase de la materia que normalmente existe a temperaturas ultrabajas y en la que la viscosidad es cero. La propuesta se basó en la observación de que las ecuaciones que rigen estos dos sistemas son exactamente iguales.

La descripción del lado cosmológico de esta correspondencia tiene un trasfondo muy sólido: se basa en la teoría general de la relatividad y el modelo estándar de partículas elementales, los cuales han sido verificados experimentalmente. La teoría superfluida propuesta por el equipo, aunque prometedora, está menos establecida y necesita pruebas.

Uso de superfluidos

Para ello, los físicos estudiaron la propagación de las ondas sonoras en un medio formado por átomos de potasio, que se sabe que se vuelven superfluidos a temperaturas extremadamente bajas.

Para crear una onda, excitaron los átomos de potasio con un rayo láser enfocado y luego midieron la velocidad de la onda de sonido que se propaga desde el punto iluminado por el láser. Los datos experimentales concordaron bien con las predicciones, lo que ayudó a confirmar la idea de que un líquido superfluido puede usarse para modelar fenómenos físicos en el Universo en expansión.

Esta similitud es muy interesante y significativa, pero aplicarla al análisis de procesos reales que tuvieron lugar durante la expansión del universo requiere una mejora significativa en este enfoque. La descripción matemática del movimiento de un líquido superfluido compuesto por un solo tipo de átomos corresponde a un solo tipo de partícula elemental, cuando en realidad existen decenas de tipos de partículas.

Los físicos creen que cuando se usa una mezcla de diferentes líquidos superfluidos, su descripción matemática corresponde mejor a la teoría de muchos tipos de partículas que se mueven frente al fondo curvo. Investigaciones posteriores mostrarán si este es el caso.

Referencia: Celia Viermann et al., Quantum field simulator for dynamics in curve spacetime, Nature (2022), DOI: 10.1038/s41586-022-05313-9

Crédito de la imagen de la característica: Casey Horner en Unsplash

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