宇宙論粒子形成的類比

Analog of cosmological particle creation
http://www.physorg.com/news115907018.html

December 03, 2007
By Miranda Marquit

"宇宙論中，有此量子效應，" Ralf Schutzhold 表示。"在這個宇宙中，有個基態（ground state），在那它是空的。但如果宇宙開始展開或收縮，真空就被扭曲，不再空無一物。粒子於是被創造。"

由 Schutzhold 德國 Dresden 科技大學理論物理研究所一位理論學家，所描述的這種量子效應，現在很小。"這種效應現在或許相當微小，" 他說。"不過在宇宙形成時，量子效應很可能扮演一個大角色。"

Schutzhold 及其同僚 Michael Uhlmann 與德國 Garchin 市，Max Planck Institute for Quantum Optics 的實驗科學家 Lutz Petersen, Hector Schmitz、Axel Friedenauer 與 Tobias Schatz，希望用離子阱（ion trap）中的聲子（phonons）類比，來為量子粒子的創造塑造模型。他們的研究發表在 Physical Review Letters 上。

"在此類比中，我們預期能看見同樣的量子粒子創造效應，發生在宇宙中。但並不是如同今日出現在宇宙中的電子與聲子，相反的，我們使用離子阱當中的聲子，" Schutzhold 解釋。他指出，透過這種類比，有可能「看見宇宙論的效應並做實驗」。

"我們提議可利用的基礎跡象之一是，" Schutzhold 說，"對偶（pairs）。這些由量子效應所創造的粒子總是成對，因此在這個離子阱中，也會是同樣一件事。如果那是種量子效應，那麼聲子將成對出現。如果我們發現我們擁有二個粒子而非一個，那就一種量子效應的強烈跡象。" 在離子阱當中進行這樣的偵測能協助排除因古典物理效應，如熱，所導致的粒子創造。

Schutzhold 指出，了解這個導致粒子創造的量子效應，並不會直接指出宇宙如何形成。"這是幫忙了解在早期宇宙中，可能的量子效應的一種方法，但它並非宇宙論粒子創造的直接測試。" 他暫停一下。"最後，這能幫我們更了解理論的問題。"

德國科學家所提議的離子阱類比，最有吸引力的特性之一是，能利用現有技術看見結果。根據 Schutzhold 表示，Schatz，Garchin 實驗小組的大頭，說他們已經完成一個初步實驗，在那裡他們將離子冷卻接近基態，並且在 99% 的準確性下完成光學泵（optical pumping，光學幫浦、光磁共振、光抽運、光激升，http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_pumping）。 "然而，那還沒完全準備好，" 他承認，"不過它或許在今年底或明年初完成。"

這個實驗，Schutzhold 解釋，是探索粒子創造背後的量子效應，並更進一步了解量子物理學基本問題的方式之一。"這個量子效應只在理論中被計算過，" 他說。"當然，現在我們想要在一個實驗中看看它... 雖然實際上，它仍未被看過。"

雖然這個要在粒子創造中實際測量量子效應的技術，或許還要幾年的路要走，但是 Schutzhold 及其同事或許已經發現一種方式，利用或許能替同樣效應塑造模型的實驗性類比，來了解這些效應。

※ 相關報導：

＊ Analogue of Cosmological Particle Creation in an Ion Trap
http://link.aps.org/abstract/PRL/v99/e201301

Ralf Schützhold and Michael Uhlmann
Phys. Rev. Lett. 99, 201301 (2007)
doi:10.1103/PhysRevLett.99.201301

We study phonons in a dynamical chain of ions confined by a trap with a time-dependent (axial) potential strength and demonstrate that they behave in the same way as quantum fields in an expanding or contracting Universe. Based on this analogy, we present a scheme for the detection of the analogue of cosmological particle creation which should be feasible with present day technology. In order to test the quantum nature of the particle creation mechanism and to distinguish it from classical effects such as heating, we propose to measure the two-phonon amplitude via the 2nd red sideband transition（邊帶躍遷） and to compare it with the one-phonon amplitude (1st red sideband).

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