用玻色-爱因斯坦凝聚模拟早期宇宙

（好久以前整的活，现在基本忘光了，勉强记录保存一下）

绝对零度（0K，零下273.15℃），是理论上宇宙间一切物质的最低温度，在绝对零度下，物质的分子将失去动能，熵减为0，内能达到最小（由于仍然存在势能，内能并不为零）。

而玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)，则通常由低密度玻色子气体冷却到非常接近绝对零度时形成。

什么是玻色子？玻色子是组成世间万物的基本粒子，如胶子、光子、引力子、介子、氘核、氦-4等，它们的自旋量子数为整数，分布遵循玻色-爱因斯坦统计。

在这种情况下，大部分玻色子处于最低量子态，这时微观量子力学现象，特别是波函数干涉，在宏观上变得明显。

在实验中，一般使用3He或者4He实现BEC。零温极限下的超流3He是纯凝聚态，所有组成粒子都服从同一波函数，相当于作用于所有粒子的一组整体场方程。巧合的是，对称性破缺创造了超流体，也与大爆炸后不久被宇宙尺度的对称性破缺非常相似。因此，超流体为模拟宇宙过程提供了一个强大的介质。我们可以在实验中利用它们来模拟早期宇宙中宇宙弦的形成和膜的湮灭。

四大基本力中，重力和别的力的分化还暂时无法模拟；当宇宙的能量尺度下降时，在某个时刻，当强力被分化时，一定有一个相变，接着是另一个相变，导致弱力和电磁力的分离。

1.用快速冷却通过超流体过渡区之后残留在液体中的拓扑缺陷，模拟早期宇宙度规中拓扑缺陷的形成。

3He可以通过中子轰击的方式，以一种可控的、非常局部化的方式通过转变而冷却。由于3He核是α粒子减去一个中子，它有一个非常大的热中子俘获截面。然而，一个稳定的α粒子无法存在，而是产生了一个triton（氚核）和质子，根据过程n+3He++=3H++p++764keV释放了764keV的能量。

两个输出粒子携带多余的能量迅速转移到周围的原子上，加热一个非常局部化的正常流体区域，使其远高于超流体相变。当准粒子扩散到周围的冷超流体中时，这个微米尺度的热区随后迅速重冷，产生了非常迅速的相变。这就是所谓的热淬火。

通过相变冷却理论上可以导致零维、一维和二维缺陷的产生，即单极子、弦和膜。

在宇宙和凝聚态物质系统中寻找单极子和膜，事实上似乎线性缺陷是最有可能的结果。这些在初始相“玻璃”退火后形成，留下一条穿过介质的路径，在该路径周围相变为2π。

在超流体中，这将代表一个漩涡，在早期宇宙中则代表一个宇宙弦。

图的A部分显示了中子俘获后的初始能量沉积。这就产生了一个正常流体的局部热点（B），类似于大爆炸的早期时刻，当时所有的力都是统一的。当系统再次快速冷却时，热波动意味着系统中会形成各种原畴（C）

由于没有时间将排序信息从一个域传输到下一个域，因此区域被随机断开，并且必须独立地选择排序参数（D）随着系统的进一步冷却，原始域不断增长并融合，从而形成“玻璃”（E）阶段

随后的松弛到均匀状态并不总是可能存在的。 例如，可以形成其中相位围绕某个中心核以2π演化的区域。 这对应于线缺陷（涡流/弦）的形成。 许多此类缺陷可能会在随机位置形成，从而产生缠结（F），随后缠结会在更长的时间尺度（G）上演变/衰减。

膜是高维矩阵中的低维缺陷。例如，一个二维表面将代表一个三维世界中的“膜”。例如，有人提出，我们的宇宙可能以三维膜的形式存在于四维矩阵中(例如，如果强力、弱力和电磁力，被限制在我们的三维[3D]膜上，但是与重力相关的通量可以“泄漏”到第四维，这也许可以解释重力为何弱于其他力。）

我们也可以在3He冷凝液中实现这一点，因为它提供了一种极好的膜类似物，其形式是超流3He的两个公共相之间的相边界。我们的兴趣不在于触发类似的膨胀，而在于寻找膜碰撞/湮灭后可能留下的拓扑缺陷痕迹。如果在早期宇宙中确实存在一个由膜动力学控制的时代，这些可能在今天的宇宙中仍然可以观察到。

通过在超流3He中产生一个膜/反膜对，然后将二者湮灭，我们确实可以研究在超流织构（时空的超流类似物）中是否确实产生了缺陷。

除此之外，BEC在天体物理中的应用还有很多，比如模拟中子星内部致密物质流体，以及制造声子黑洞来模拟黑洞，其基本思想是在 BEC 中建立一个超音速的原子流。声波在这种流体中运动。所以流体运动从亚音速到超音速变化的区域是视界。事件视界内产生的任何声波(或声子)都无法逃逸，因为那里的流动是超音速的。那就是黑洞。声波黑洞如此受到高度重视的一个原因是，它们应该产生霍金辐射。量子力学预测，在 BECs 中，具有相等和相反动量的“虚”声子对应该不断地弹出和消失。

参考文献：

【1】 In N. Proukakis, D. Snoke, & P. Littlewood(Eds.), Universal Themes of Bose-EinsteinCondensation (pp. 549-568). Cambridge:Cambridge University Press.