愛因斯坦的相對論指出，空間和時間是相互交織的。在我們的宇宙中，時空的曲率相對較小，而且是不變的。然而，來自海德堡大學的研究人員成功地創造了一個實驗室實驗，其中時空結構可以被操縱。研究人員使用超冷量子氣體模擬了一系列彎曲的宇宙，以探索各種宇宙學的情況。然後他們將這些模擬與一個量子場理論模型的預測進行了比較。該研究結果發表在《自然》雜誌上。

彎曲的時空是愛因斯坦提出的廣義相對論中的一個概念，它描述了引力如何影響宇宙的形狀。它表明，宇宙中物質或能量的存在會導致時空結構的彎曲。

從大爆炸到現在，宇宙時間尺度上的空間和時間的出現是目前研究的主題，只能基於對我們單一宇宙的觀察。空間的膨脹和曲率對宇宙學模型至關重要。在像我們當前宇宙這樣的平坦空間中，兩點之間的最短距離總是一條直線。然而，可以想像的是，我們的宇宙在早期階段是彎曲的。

“因此，研究彎曲時空的後果是研究中的一個緊迫問題，”海德堡大學基希霍夫物理研究所的研究員馬庫斯-奧伯塔勒教授說。他與他的”合成量子系統”研究小組一起，為此目的開發了一個量子場模擬器。

在實驗室裡創建的量子場模擬器由一團鉀原子組成，它被冷卻到僅高於絕對零度的幾個納克爾文。這就產生了玻色-愛因斯坦凝聚物–一種在極冷溫度下達到的特殊的原子氣體量子力學狀態。

奧伯塔勒教授解釋說，玻色-愛因斯坦凝結物是一個完美的背景，在這個背景下，最小的激發，即原子的能量狀態的變化也變得可見。原子云的形式決定了時空的維度和屬性，這些激發像波一樣在其上運行。

在我們的宇宙中，有三個維度的空間以及第四個維度：時間。在海德堡物理學家進行的實驗中，原子被困於一個薄層中。因此，激波只能在兩個空間方向傳播–空間是二維的。同時，其餘兩個維度的原子云幾乎可以以任何方式被塑造，因此也有可能實現彎曲的時空。原子之間的相互作用可以通過磁場進行精確調整，改變玻色-愛因斯坦凝聚體上的波狀激發的傳播速度。

“對於凝結物上的波，傳播速度取決於原子的密度和相互作用。這使我們有機會創造出類似於膨脹的宇宙中的條件，”Stefan Flörchinger教授解釋說。這位曾在海德堡大學工作並於今年年初加入耶拿大學的研究人員開發了用於定量比較實驗結果的量子場理論模型。

“使用量子場模擬器，宇宙現象，如基於空間膨脹的粒子的產生，甚至時空曲率都可以被測量出來。”宇宙學問題通常發生在難以想像的大尺度上。《自然》雜誌文章的主要作者Celia Viermann說：”能夠在實驗室中具體研究它們，使我們能夠通過實驗來測試新的理論模型，從而為研究提供全新的可能性。”

Markus Oberthaler說：”在實驗室中研究彎曲時空和量子力學狀態的相互作用將在未來一段時間內佔據我們的位置，”他的研究小組也是Ruperto Carola的STRUCTURES卓越集群的一部分。