Er zijn tijden en plaatsen in het universum die experimenten niet kunnen bereiken en misschien ook nooit kunnen bereiken. Wat er precies gebeurt in zwarte gaten, en wat er gebeurde in de eerste fracties van een seconde na de oerknal, is een kwestie van pure theoretische speculatie.

Twee decennia lang Silke Weinfurtner, een natuurkundige aan de Universiteit van Nottingham in het Verenigd Koninkrijk, heeft 'analoge zwaartekracht'-experimenten ontworpen met behulp van vloeistoffen die systemen zoals zwarte gaten en het vroege universum nabootsen. Ze heeft bijvoorbeeld geluidsgolven gedetecteerd in vloeistoffen die lijken op Hawking-straling - de subtiele warmte die wordt uitgestraald door zwarte gaten die grote gevolgen heeft voor wat er met informatie in het universum gebeurt. Een ander vloeiend effect dat ze bestudeert, bootst na hoe de zaden van de kosmische structuur werden gezaaid in de eerste momenten na de oerknal.

Weinfurtner en andere onderzoekers van analoge zwaartekracht maken de controversiële bewering dat we door vloeistoffen hier op aarde te bestuderen, een glimp kunnen opvangen van waarheden over de fysica van de meest extreme en verre fenomenen in het universum. De benadering heeft zeker critici, die zeggen dat de vergelijkbare wiskunde die deze systemen beheerst, hoewel verrassend, niet genoeg is om de een de ander te laten vervangen. Voor Weinfurtner kunnen de verrassende wiskundige overeenkomsten tussen hen die onder bepaalde omstandigheden naar voren komen, worden uitgebuit. "Het is verbluffend hoe natuurkunde echt werkt", vertelde ze me onlangs. "Het lijkt gewoon alsof de natuur ons een bot heeft gegeven als de dingen echt moeilijk zijn."

De harde fysica die buiten experimenteel bereik ligt, omvat de onbekende, kwantumaard van zwaartekracht. In de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein ontstaat zwaartekracht wanneer materie het weefsel van ruimte-tijd buigt. Maar natuurkundigen zoeken naar de meer fundamentele kwantumtheorie van de zwaartekracht die ten grondslag ligt aan Einsteins beeld; het is deze kwantumzwaartekrachttheorie die extremen zoals de oerknal en zwarte gaten regelt. En een manier om dichter bij deze volledige theorie te komen, is door kwantumfluctuaties in het ruimte-tijdweefsel te bestuderen. Quantumveldentheorie beschrijft deeltjes als excitaties in onderliggende velden, zoals rimpelingen in een vijver. Deze fluctuaties worden vervolgens gelaagd bovenop een gebogen ruimte-tijd achtergrond. "Er komt veel nieuwe coole fysica naar voren", zei Weinfurtner.

En, op mysterieuze wijze, ontstaat analoge coole fysica in meer bekende fysieke systemen.

De Canadese natuurkundige Bill Unruh startte in de jaren zeventig met analoog zwaartekrachtonderzoek door een vergelijking te maken tussen het geluid van een schreeuwende vis die een waterval afdaalt en licht dat vastzit in de kromgetrokken ruimte-tijd rond een zwart gat. Deze gedenkwaardige wiskundige gelijkwaardigheid leidde er uiteindelijk toe dat Unruh en anderen geïmproviseerde analoge experimenten bouwden in een niet-gegradueerd technisch laboratorium. Het was daar, in de 'roestige hut' van de University of British Columbia eind jaren 1970, dat Weinfurtner, een postdoctoraal onderzoeker oorspronkelijk uit Duitsland, begon te proberen deze vloeistofsystemen te temmen.

Sindsdien heeft Weinfurtner steeds geavanceerdere analoge experimenten gebouwd en tegenwoordig is ze de leider van de belangrijkste onderzoeksgroep voor analoge zwaartekracht in het Verenigd Koninkrijk. Toen ik onlangs een van haar laboratoria bezocht, weerkaatste groen laserlicht door golven op het oppervlak van wat neerkwam op een te grote badkuip. Een draaikolk wervelde door de afvoer in het midden van het bad en sleepte de regelmatig uit elkaar geplaatste rimpelingen eromheen in een slakkenhuisachtig patroon. De rimpelingen dreven langs een kunstmatig gecreëerd punt van geen terugkeer - de analoog van de onontkoombare gebeurtenishorizon van een zwart gat. "Het is een gigantische badkuip, maar wel een heel speciale", vertelde Weinfurtner me.

In een ander, nieuw laboratorium sudderde supervloeibaar helium in een verzilverde stolp. Daar ontvouwen zich hypnotiserende effecten, analoog aan kwantumzwaartekrachtfenomenen in het vroege universum, 'voor je ogen', zei ze. "Je krijgt een gevoel van hoe raar het is."

Vier uur lang dwaalden we door deze laboratoria en slenterden we in de herfstzon over de campus aan het meer, krijsende ganzen en zo, terwijl we Weinfurtners onderzoek en zijn interpretaties bespraken. 'Wat daarboven is, is niet zo vreemd,' zei ze, verwijzend naar de ontoegankelijke rijken van de kosmos. "Ik ben op zoek naar een diepere waarheid buiten één systeem."

Het interview is voor de duidelijkheid gecomprimeerd en bewerkt.

Hoe zorg je ervoor dat een bak met vloeistof zich gedraagt ​​als het vroege heelal?

Laten we zeggen dat deze vierkante salontafel onze superfluïde heliumtank is. Ik kan een oppervlaktegolf creëren die zich voortplant op het tafeloppervlak. Als ik de golfsnelheid steeds kleiner maak en hem naar nul drijf, zal de golf nooit de grens bereiken. Dus voor deze golf lijkt deze tafel oneindig groot. Dit is als kosmische inflatie, de zeer snelle expansie van de ruimte die volgens theoretici kort na de geboorte van het universum plaatsvond. Tijdens het opblazen lijken naburige deeltjes sneller dan de lichtsnelheid van elkaar weg te bewegen, en dus lijkt het universum oneindig groot.

Sinds kort, jij nagebootst hoe energie zich verspreidde vanuit het kwantumveld dat kosmische inflatie veroorzaakte naar materiedeeltjes in het vroege universum. Hoe werkt dit?     

Tijdens inflatie krijg je fluctuaties in de kwantumvelden die ruimte-tijd vullen, en deze worden uitgerekt samen met de uitdijing van het universum. Ze worden ingeprent op de ruimte-tijd achtergrond en worden zaden voor de grootschalige structuur van ons universum. Vervolgens, na het opblazen, moeten deze "bevroren modi" ontdooien, zodat deeltjes weer met elkaar kunnen interageren. Hiervoor gebruiken kosmologen een mechanisme genaamd voorverwarmen, dat deze velden die snel aan het uitbreiden waren maar nooit echt met elkaar spraken, neemt en een omgeving creëert waarin de velden met elkaar gaan interageren.

Je kunt dit opnieuw maken in vloeistoffen. Je tikt op het oppervlak van een vloeistof, of schudt het, om een ​​golf met een bepaalde frequentie te maken. Als de golf niet te hoog is, heeft deze golf geen interactie met andere golven van verschillende frequenties - je kunt dit in de badkuip proberen. Maar als de amplitude hoog wordt, werken de verschillende frequenties samen.

In de wiskunde is er het deel van de golfvergelijking waar elke golf zich met zijn eigen zaken bemoeit. En dan is er een heel, heel groot aantal extra termen die ons vertellen hoe elke frequentie interageert met een andere frequentie. In principe hebben we bijna oneindig veel termen die we zouden kunnen overwegen, dus we moeten een aantal termen kiezen om op te focussen; anders kun je de vergelijking niet oplossen. We gaan ervan uit dat je geen dissipatie in je systeem hebt en dat de velden zwak op elkaar inwerken, enzovoort.

In onze experimenten testen we of deze benaderingen redelijk zijn. Ons systeem heeft alle interactietermen ingebouwd. En inderdaad, we ontdekken dat alle benaderingen die kosmologen gebruiken, worden overgedragen. Deze aannames zijn dus robuust; ze zijn bestand tegen fysiek onderzoek in ons systeem.

Het is nog steeds verrassend dat je iets kunt vertellen over wat er gaande is in het vroege heelal, of zwarte gaten, door vloeistoffen te bestuderen die in een grote badkuip bewegen. Wat ligt hieraan ten grondslag?

De wiskundige vergelijkingen die de fysica in de badkuip beschrijven, beschrijven ook de fysica rond het zwarte gat, of in het vroege universum. Men kan niet zeggen dat dit dezelfde systemen zijn. Het vloeistofsysteem is een nogal complex fysisch systeem, en ook de wiskunde is behoorlijk gecompliceerd; het wordt beschreven door de zogenaamde Navier-Stokes-vergelijkingen voor vloeistoffen. Maar met bepaalde aannames die in experimenten kunnen worden gerepliceerd, kun je deze complexiteit aanzienlijk verminderen, en blijf je achter met een vergelijking die kan worden toegewezen aan hoe kwantum- of klassieke velden zich voortplanten rond zwarte gaten of in het vroege universum; Ik vind dezelfde vergelijking, tot een goede benadering. Het berust dus allemaal op een wiskundige analogie.

Ik zeg, nou, als de vergelijkingen hetzelfde zijn, zou de fysica hetzelfde moeten zijn. Ik wil dit stukje wiskunde begrijpen; Het kan me niet schelen of het eerst werd ontdekt voor zwarte gaten of andere systemen. Er is een diepere waarheid dan een bepaald systeem. En dit is waar we naar op zoek zijn.

Dit berust dus op het idee van universaliteit, dat er gemeenschappelijk gedrag is boven de microscopische details van het systeem.

Ik ben niet geïnteresseerd in het onderzoeken van de microfysica van deze vloeibare systemen, ik ben geïnteresseerd in het macroscopische emergente gedrag. Waarom is het macroscopische gedrag van twee zeer verschillende systemen - veldtheorieën over gekromde ruimte-tijd en excitaties in vloeistoffen en supervloeistoffen - hetzelfde? Ik weet het niet. Natuurkunde heeft de opmerkelijke eigenschap dat het zichzelf herhaalt.

Dus misschien moeten we niet opgeven. Met deze beter toegankelijke systemen kunnen we ervaring opdoen en de expertise opbouwen om verder te gaan.

Wat opgeven?

Waarnemingen van kwantumvelden in gekromde ruimtetijd. Hawking-straling van zwarte gaten is bijvoorbeeld een theoretisch onderzoeksgebied gebleven, waar mensen steeds meer vertrouwen hebben in het berekenen van dingen - er zijn ontwikkelingen geweest om het hele veld op een meer rigoureuze wiskundige formulering te zetten. Maar het is ondetecteerbaar gebleven. Dus het is in een la gestopt met het opschrift 'Theorie. Waarschijnlijk juist. Laten we verder gaan."

Maar je probeert die la open te maken?

Het lijkt me nog steeds een openstaand probleem. En vanwege dit gebrek aan experimentele feedback begrijpen we de kwantumveldentheorie in gekromde ruimte-tijd niet goed genoeg. De handboeken die we hebben zijn pure theorie. Alleen door experimenten kunnen we op een dieper niveau komen.

Wanneer we vergelijkingen van kwantumvelden oplossen in gekromde ruimte-tijd, zijn er vaak sprongen in het diepe als we benaderingen maken. Er is ingebouwde ambiguïteit. Er is bijvoorbeeld een groot vraagteken rond welke begintoestand je moet kiezen wanneer je je kwantumveld voorbereidt. En analoge experimenten kunnen deze leemte opvullen. We kunnen veel van die benaderingen op de proef stellen.

Is het te hopen dat dit zal leiden tot directe experimenten, of kunnen analogen deze vervangen?

We hebben geen idee hoe we de Hawking-straling van een zwart gat kunnen meten. De analoge experimenten kijken naar effecten als deze en ontwikkelen een protocol om ze te extraheren, te meten en te verifiëren. We verankeren dit soort effecten in een fysieke realiteit en voegen alle extra lagen toe die nodig kunnen zijn om tot een detectie te komen.

Ik vraag: hoe kunnen deze analogen worden teruggekoppeld naar de theoretische kant? Zou dit een nieuwe manier van denken over experimentele realiteiten kunnen inbrengen, zodat we over vijf, tien of misschien vijftig jaar enkele van deze effecten [zoals Hawking-straling] rechtstreeks in experimenten kunnen zien? Laten we alles meenemen wat we hebben geleerd van deze prachtige theoretische resultaten, en laten we dat in deze hightech directe experimenten laden. Analogen zijn dus een essentiële opstap in de goede richting om experimenten in het hart van kwantumvelden en zwaartekracht te plaatsen.

Is het mogelijk om analoge experimenten te gebruiken om meer te doen dan de benaderingen die in deze theorieën worden gebruikt te testen?

Je zou ook kunnen zoeken naar nieuwe fysieke effecten die je hebt gemist omdat je al deze benaderingen hebt gedaan. Hier komen we met dit rommelige analoge systeem, en dan kun je vragen: Nou, ik zie deze extra effecten in mijn analoge systeem; is het logisch dat dit ook buiten de analoge zou bestaan?

De droom zou zijn dat je de experimenten gebruikt om iets te 'berekenen' - om effecten in onze analogen te simuleren die verder gaan dan wat je analytisch berekent. Maar in hoeverre kunt u erop vertrouwen dat de uitkomst van deze simulator ook geldt voor het doelsysteem waaraan het analoog is? Ik heb geen antwoord, maar het is een vraag die me 's nachts wakker houdt.

Critici van analoge experimenten kunnen het idee om iets nieuws over zwaartekracht te ontdekken door naar een vloeistof in een laboratorium te kijken, tegenspreken.

Ik zou mijn tijd verspillen door iedereen te overtuigen om van analoge zwaartekracht te houden. Het enige wat ik kan doen is de best mogelijke output produceren, ervoor zorgen dat er een jonge, levendige gemeenschap is en eerlijk zijn - zonder te veel te claimen. Sommige mensen zullen nooit van gedachten veranderen over analoge experimenten, maar daar kan ik mee leven.

Het lijkt erop dat dit een heel andere manier is om natuurkunde te benaderen, of zelfs een nieuw soort kennisverwerving - voorbij bijvoorbeeld directe experimenten, pen-en-papiertheorie en computersimulaties.

In de natuurkunde nemen we meestal een bepaald systeem en zoeken we naar alle fysische processen in dat systeem. Bij analoge zwaartekracht is het anders - je bent geïnteresseerd in het zien van Hawking-straling uit een ander systeem. Het medium is flexibel. Het is een beetje zoals kunst. Als je een kunstenaar bent, kun je ervoor kiezen om te schilderen, beeldhouwer te worden of een video-installatie te maken. Jij kiest het medium, wat er ook voor nodig is om het idee dat je in gedachten hebt te realiseren. En deze vrijheid zorgt voor ongemak bij sommige van mijn collega's.

Ik geloof dat experimentele natuurkunde gaat over het tot leven brengen van abstracte ideeën, net als kunstenaars. Maar mijn systeem staat niet vast. En dat maakt het ook toegankelijk, want de systemen die we gebruiken zijn soms alledaags. Zo kan iedereen erin duiken en het leven. We hebben net een kunstlaboratorium gebouwd naast ons zwarte gatenlaboratorium om ruimte te creëren voor outreach, zodat kunstenaars en nieuwsgierige mensen met ons kunnen werken. Het doel is om een ​​inclusieve onderzoeksgemeenschap te creëren met een open deur voor mensen die zich meestal van buitenaf bevinden. Het idee is om plezier en opwinding te creëren over ons onderzoek, en om te leren van kunstenaars en schoolkinderen.

De fysica rond zwarte gaten is iets heel abstracts, heel ongenaakbaars. En dan zegt een bezoeker: “Wacht even, dat is een badkuip. Dus ik zou het moeten kunnen begrijpen.” En zo kan iedereen vragen gaan stellen.