Автор: ТОМАС ЛЬЮТОН
Используя жидкости для моделирования недоступных сфер космоса, Силке Вайнфуртнер “ищет более глубокую истину за пределами одной системы”. Но чему могут научить нас такие эксперименты?
Во Вселенной есть времена и места, которых эксперименты не могут достичь, и, возможно, никогда не смогут достичь. Что именно происходит внутри черных дыр и что произошло в первые доли секунды после Большого взрыва, является предметом чисто теоретических спекуляций.
В течение двух десятилетий Силке Вайнфуртнер, физик из Ноттингемского университета в Соединенном Королевстве, разрабатывала эксперименты по “аналоговой гравитации” с использованием жидкостей, имитирующих такие системы, как черные дыры и ранняя Вселенная. Например, она обнаружила звуковые волны в жидкостях, которые напоминают излучение Хокинга — тонкое тепло, испускаемое черными дырами, которое имеет глубокие последствия для того, что происходит с информацией во Вселенной. Другой эффект текучести, который она изучает, имитирует то, как семена космической структуры были посеяны в первые мгновения после Большого взрыва.
Вайнфуртнер и другие экспериментаторы с аналоговой гравитацией делают спорное заявление о том, что, изучая жидкости здесь, на Земле, мы можем заглянуть в истины о физике самых экстремальных и отдаленных явлений во Вселенной. Конечно, у этого подхода есть критики, которые говорят, что схожая математика, управляющая этими системами, хотя и удивительна, недостаточна для того, чтобы позволить одной заменять другую. По мнению Вайнфуртнера, поразительное математическое сходство между ними, возникающее при определенных условиях, может быть использовано. “Это умопомрачительно, как на самом деле работает физика”, — сказала она мне недавно. “Просто кажется, что природа бросила нам кость, когда все действительно сложно”.
Жесткая физика, которая находится вне экспериментальной досягаемости, связана с неизвестной квантовой природой гравитации. В общей теории относительности Альберта Эйнштейна гравитация возникает, когда материя искривляет ткань пространства-времени. Но физики ищут более фундаментальную квантовую теорию гравитации, которая лежит в основе картины Эйнштейна; именно эта квантовая теория гравитации управляет такими крайностями, как Большой взрыв и черные дыры. И один из способов приблизиться к этой полной теории — изучить квантовые флуктуации в структуре пространства-времени. Квантовая теория поля описывает частицы как возбуждения в нижележащих полях, подобные ряби в пруду. Затем эти флуктуации накладываются поверх искривленного пространственно-временного фона. “Появляется много новой классной физики”, — сказал Вайнфуртнер.
И, как ни странно, аналогичная классная физика возникает в более знакомых физических системах.
Канадский физик Билл Унру положил начало исследованиям аналоговой гравитации в 1970-х годах, проведя сравнение между звуком кричащей рыбы, спускающейся с водопада, и светом, который захвачен в искривленном пространстве-времени вокруг черной дыры. Эта запоминающаяся математическая эквивалентность в конечном итоге привела Унру и других к созданию импровизированных аналоговых экспериментов в инженерной лаборатории бакалавриата. Именно там, в “ржавой хижине” Университета Британской Колумбии в конце 2000-х годов, Вайнфуртнер, постдокторский исследователь родом из Германии, начал пытаться приручить эти жидкостные системы.
С тех пор Вайнфуртнер проводит все более сложные аналоговые эксперименты, и сегодня она является лидером ведущей британской исследовательской группы по аналоговой гравитации. Когда я недавно посетил одну из ее лабораторий, зеленый лазерный свет отражался волнами на поверхности того, что представляло собой огромную ванну. Водоворот закручивался в сливном отверстии в центре ванны, волоча равномерно расположенные волны вокруг него в виде узора, похожего на раковину улитки. Рябь прошла мимо искусственно созданной точки невозврата — аналога неизбежного горизонта событий черной дыры. “Это гигантская ванна, но она совершенно особенная”, — сказал мне Вайнфуртнер.
В другой, новой лаборатории, сверхтекучий гелий кипел в посеребренной стеклянной банке. Там перед вашими глазами “разворачиваются завораживающие эффекты, аналогичные квантовым гравитационным явлениям в ранней вселенной”, — сказала она. “У тебя возникает ощущение того, насколько это странно”.
В течение четырех часов мы бродили по этим лабораториям и прогуливались по кампусу на берегу озера под осенним солнцем, под крики гусей и все такое, обсуждая исследования Вайнфуртнера и их интерпретации. “То, что там наверху, не так уж странно”, — сказала она, имея в виду недоступные сферы космоса. “Я ищу более глубокую истину за пределами одной системы”.
Как вы заставляете ванну с жидкостью вести себя подобно ранней вселенной?
Допустим, этот квадратный журнальный столик — наш резервуар со сверхтекучим гелием. Я могу создать поверхностную волну, которая распространяется по поверхности стола. Если я буду делать скорость волны все меньше и меньше, приближая ее к нулю, волна никогда не достигнет границы. Таким образом, для этой волны эта таблица выглядит бесконечно большой. Это похоже на космическую инфляцию, очень быстрое расширение пространства, которое, по мнению теоретиков, произошло вскоре после рождения Вселенной. Во время инфляции соседние частицы, по-видимому, удаляются друг от друга быстрее скорости света, и поэтому Вселенная кажется бесконечно большой.
Недавно вы смоделировали, как энергия распространялась от квантового поля, которое приводило к космической инфляции, к частицам материи в ранней Вселенной. Как это работает?
Во время инфляции вы получаете флуктуации в квантовых полях, которые заполняют пространство-время, и они растягиваются вместе с расширением Вселенной. Они отпечатываются на пространственно-временном фоне и становятся семенами для крупномасштабной структуры нашей Вселенной. Затем, после раздувания, эти “замороженные режимы” необходимо разморозить, чтобы частицы могли снова начать взаимодействовать друг с другом. Для этого космологи используют механизм, называемый предварительным нагревом, который берет эти поля, которые быстро расширялись, но никогда по-настоящему не общались друг с другом, и создает среду, в которой поля начинают взаимодействовать друг с другом.
Вы можете воссоздать это в жидкостях. Вы постукиваете по поверхности жидкости или встряхиваете ее, чтобы создать волну с определенной частотой. Если волна не слишком высокая, то эта волна не взаимодействует с другими волнами разной частоты — вы можете попробовать это в ванне. Но если амплитуда становится высокой, то разные частоты взаимодействуют.
В математике есть часть волнового уравнения, где каждая волна просто занимается своими делами. И еще есть очень, очень большое количество дополнительных терминов, которые рассказывают нам, как каждая частота взаимодействует с другой частотой. В принципе, у нас есть почти бесконечно много терминов, которые мы могли бы рассмотреть, поэтому мы должны выбрать некоторые термины, на которых можно сосредоточиться; в противном случае вы не сможете решить уравнение. Мы делаем такие предположения, как то, что у вас нет диссипации в вашей системе, и что поля слабо взаимодействуют, и так далее.
В наших экспериментах мы проверяем, являются ли эти приближения разумными. В нашу систему встроены все условия взаимодействия. И действительно, мы обнаруживаем, что все приближения, используемые космологами, переносятся. Таким образом, эти предположения надежны; они выдерживают физическую проверку в нашей системе.
Все еще удивительно, что вы можете рассказать что-либо о том, что происходит в ранней вселенной или черных дырах, изучая жидкости, движущиеся в большой ванне. Что лежит в основе всего этого?
Математические уравнения, описывающие физику в ванне, также описывают физику вокруг черной дыры или в ранней Вселенной. Нельзя сказать, что это одни и те же системы. Жидкостная система — довольно сложная физическая система, а также довольно сложная математика; она описывается так называемыми уравнениями Навье-Стокса для жидкостей. Но при определенных допущениях, которые могут быть воспроизведены в экспериментах, вы можете значительно уменьшить эту сложность, и у вас останется уравнение, которое можно сопоставить с тем, как квантовые или классические поля распространяются вокруг черных дыр или в ранней вселенной; я нахожу то же самое уравнение в хорошем приближении. Так что все это основывается на математической аналогии.
Я говорю, что если уравнения одинаковы, то и физика должна быть такой же. Я хочу разобраться в этой части математики; мне все равно, была ли она открыта первой для черных дыр или других систем. Есть более глубокая истина, лежащая за пределами конкретной системы. И это то, что нам нужно.
Таким образом, это основывается на идее универсальности, что существует общее поведение, выходящее за рамки микроскопических деталей системы.
Меня не интересует исследование микрофизики этих жидкостных систем, меня интересует макроскопическое возникающее поведение. Почему макроскопическое поведение двух очень разных систем — теорий поля в искривленном пространстве-времени и возбуждений в жидкостях и сверхтекучих средах — одинаково? Я не знаю. Физика обладает той замечательной особенностью, что она повторяется.
Так что, может быть, нам не стоит сдаваться. Мы можем приобрести опыт работы с этими более доступными системами и накопить знания, позволяющие выйти за рамки этого.
Отказываться от чего?
Наблюдения квантовых полей в искривленном пространстве-времени. Излучение Хокинга от черных дыр, например, оставалось теоретической областью исследований, где люди все больше и больше доверяют вычислениям — произошли изменения в том, что вся область получила более строгую математическую формулировку. Но это осталось необнаружимым. Так что это было положено в ящик с надписью “Теория. Вероятно, правильно. Давайте двигаться дальше”.
Но ты пытаешься открыть этот ящик?
Мне это все еще кажется открытой проблемой. И из-за этого отсутствия экспериментальной обратной связи мы недостаточно хорошо понимаем квантовую теорию поля в искривленном пространстве-времени. Имеющиеся у нас учебники — это чистая теория. Только с помощью экспериментов мы можем выйти на более глубокий уровень.
Когда мы решаем уравнения квантовых полей в искривленном пространстве-времени, часто возникают скачки веры, когда мы делаем приближения. В этом заложена двусмысленность. Например, есть большой вопросительный знак вокруг того, какое начальное состояние выбрать, когда вы готовите свое квантовое поле. И аналоговые эксперименты могут восполнить этот пробел. Мы можем проверить многие из этих приближений.
Есть ли надежда, что это приведет к прямым экспериментам, или их могут заменить аналоги?
Мы понятия не имеем, как на самом деле можно измерить излучение Хокинга черной дыры. Аналоговые эксперименты изучают подобные эффекты и разрабатывают протокол для их извлечения, измерения и проверки. Мы внедряем такого рода эффекты в физическую реальность, добавляя все необходимые дополнительные слои, которые могут привести к обнаружению.
Я спрашиваю: как эти аналоги могут вернуться к теоретической стороне? Может ли это привнести новый взгляд на экспериментальные реалии, чтобы через пять, 10 или, может быть, 50 лет мы действительно могли увидеть некоторые из этих эффектов [например, излучение Хокинга] непосредственно в экспериментах? Давайте возьмем на вооружение все, что мы узнали из этих замечательных теоретических результатов, и применим это к этим высокотехнологичным прямым экспериментам. Таким образом, аналоги являются жизненно важным шагом в правильном направлении проведения экспериментов в самом сердце квантовых полей и гравитации.
Возможно ли использовать аналоговые эксперименты для чего-то большего, чем проверка приближений, используемых в этих теориях?
Вы также могли бы поискать новые физические эффекты, которые вы пропустили, потому что выполнили все эти приближения. Здесь мы сталкиваемся с этой запутанной аналоговой системой, и тогда вы можете спросить: ну, я вижу эти дополнительные эффекты в моей аналоговой системе; имеет ли смысл, что это также будет существовать за пределами аналога?
Мечта состояла бы в том, чтобы вы использовали эксперименты для “вычисления” чего—то — для имитации эффектов в наших аналогах, выходящих за рамки того, что вы вычисляете аналитически. Но насколько вы можете доверять тому, что результат этого симулятора также сохраняется в целевой системе, которой он аналогичен? У меня нет ответа, но это вопрос, который не дает мне спать по ночам.
Philipp Ammon for Quanta Magazine
Критики аналоговых экспериментов могут воспротивиться идее открыть что-то новое о гравитации, посмотрев на жидкость в лаборатории.
Я бы потратил свое время впустую, пытаясь убедить всех полюбить аналоговую гравитацию. Все, что я могу сделать, это добиться наилучших результатов, убедиться, что существует молодое, энергичное сообщество, и быть честным — без чрезмерных требований. Некоторые люди никогда не изменят своего мнения об аналоговых экспериментах, но я могу с этим смириться.
Похоже, что это совсем другой подход к физике или даже новый вид приобретения знаний — помимо, скажем, прямых экспериментов, теории пера и бумаги и компьютерного моделирования.
В физике мы обычно берем определенную систему и ищем все физические процессы в этой системе. В аналоговой гравитации все по—другому — вам интересно увидеть, как излучение Хокинга выходит из какой-то другой системы. Среда является гибкой. Это немного похоже на искусство. Если вы художник, вы можете выбрать рисование, быть скульптором или сделать видеоинсталляцию. Вы выбираете средство, чего бы вам это ни стоило, чтобы реализовать идею, которая у вас в голове. И эта свобода — то, что вызывает беспокойство у некоторых моих коллег.
Я считаю, что экспериментальная физика — это воплощение абстрактных идей в жизнь, как у художников. Но моя система не исправлена. И это также делает его доступным, потому что системы, которые мы иногда используем, являются обычными. Это позволяет каждому погрузиться в это и прожить это. Мы только что построили арт-лабораторию по соседству с нашей лабораторией black hole, чтобы создать пространство для общения, позволяя художникам и любознательным людям работать с нами. Цель состоит в том, чтобы создать инклюзивное исследовательское сообщество с открытой дверью для людей, которые обычно находятся снаружи. Идея состоит в том, чтобы создать веселье и ажиотаж вокруг наших исследований, а также чтобы мы могли учиться у художников и школьников.
Физика вокруг черных дыр — это нечто очень абстрактное, очень недоступное. И тогда посетитель говорит: “Подождите секунду, это ванна. Так что я должен быть в состоянии понять”. И это позволяет каждому начать задавать вопросы.