Najmanji veliki prasak

Uređaj je cilindar nešto manji od malog prsta, napunjen helijem i ohlađen malo iznad apsolutne nule. Unutra se razvija mladi svemir - ili nešto vrlo slično njemu. Dok helij prska uokolo, on oponaša proces koji je možda pokretao naš vlastiti svemir nekoliko trenutaka nakon velikog praska. A nakon što se tekućina slegne, mali vrtlozi koji ostanu mogu biti slični defektima u ranom svemirskom vremenu koji su u konačnici doveli do nastanka galaksija, zvijezda i planeta.

Ovaj svemir u šalici izgradio je tim sa Sveučilišta Lancaster u Engleskoj. Njihova studija, objavljena u siječanjskom izdanju časopisa Fizika prirode, istražio je teoriju kozmološke inflacije. Ova teorija tvrdi da je neposredno nakon velikog praska svemir iznenada rastao vrlo brzo na djelić sekunde, a zatim, jednako iznenada, usporio. Ovo širenje brže od svjetlosti trebalo bi objasniti razne stvari o današnjem svemiru, primjerice zašto se čini da biti više-manje isti u svakom smjeru i kako su se veliki objekti, poput jata galaksija, spojili iz kozmosa.

Većina fizičara vjeruje da je došlo do inflacije. Problem je u detaljima - nitko ne zna zašto dogodilo se, niti kako. Potrebno je jako puno energije da bi se svemir ubrzao, i prilično snažne kočnice da bi se ponovno usporio. Puno fizičara riskiralo je nagađati odakle je došla sva ta energija, ali sa samo jednim svemirom za promatranje i s razdobljem inflacije 13 milijardi godina u prošlosti, teško je reći koji su prijedlozi pravo.

Ovo nije izolirani problem. Kozmološki fenomeni - crne rupe, na primjer, ili veliki prasak - nisu podložni eksperimentiranju. Trošak na stranu, ne želite da supernova eksplodira u vašem laboratoriju. Dakle, kako će znanstvenici testirati velike teorije o svemiru? Fizičari koji rade na rastućem području "kvantnih analoga" imaju odgovor koji se može činiti čudnim: pogledajte vrlo maleno.

Dva Brana u noći

Posebna vrsta inflacije koju je Lancasterova grupa reproducirala naziva se brane inflacija, i to najčešće se povezuje s teorijom struna, koja tvrdi da je sve napravljeno od infinitezimalnog žice. Brana—skraćenica za membranu—je objekt ugrađen u neki višedimenzionalni prostor, koji se naziva bulk. Mnoge stvari se mogu računati kao brane. Beskonačno tanka struna je 1-brana, jer ima samo jednu dimenziju (duljinu); ravni lim je 2-brana. Prema nekim kozmolozima, svemir bi mogao biti 3-brana, koja živi u četverodimenzionalnoj masi.

Ako je tako, onda naš svemir možda nije jedini. Moglo bi biti mnogo 3-brane, neke poput ove na kojoj živimo, koje lebde okolo u masi. Prema teoriji, dvije brane koje se približavaju nakupile bi dovoljno energije da pokrenu inflaciju - to iznenadno, brzo širenje prostora. Zatim, kada se brane sudare, ta energija iznenada nestaje, završavajući inflaciju jednako brzo kao što je i započela.

Kako bi testirali ovu verziju inflacije, grupa Lancaster je promatrala sudaranje dva bazena ultra-hladnog tekućeg helija. Helij služi kao dobra zamjena za rani svemir zbog svoje simetrije - u biti, pravilnih uzoraka koji leže u osnovi njegove strukture. Znanstvenici vjeruju da je vrući, mladi svemir bio homogen i simetričan. Kako se hladio, neke od tih simetrija su nestale. Ista stvar se događa s hladnim helijem.

Na samo 0,0003°F iznad apsolutne nule, supertekući helij u ovom eksperimentu raspoređuje se u jednoj od dvije orijentacije, "A faza" i "B faza." Grupa je postavila sustav tako da dio A-faze razdvaja dva dijela B-faze, a dva A-B sučelja predstavljaju dvije brane [vidjeti galerija objašnjenja]. Tim je zatim razbio dvije B faze zajedno na isti način na koji je svemir mogao razbiti drugu branu. U oba slučaja način na koji simetrije nestaju je identičan.

Što su pronašli? Jedna od karakterističnih značajki inflacije brane uključuje njezin odgovor na drugi kozmološki problem: kako su nakupine materije, u obliku galaksija, izrasle iz onoga što je bio glatki svemir? Brane inflacija predviđa da će, nakon što se brane sudare, mali defekti mreškati kroz svemir. Ti nedostaci, ponekad nazvani kozmičkim strunama, bile su točke oko kojih se materija spajala; kako se svemir širio, ti su mali centri mase također rasli, naposljetku postajući klasteri galaksija.

Nakon eksperimenta Lancasterove grupe, mali su se vrtlozi zadržali u heliju, slično nedostacima u prostorvremenu predviđenim inflacijom brane. I premda ne dokazuju posve da je došlo do inflacije brane, nude primamljiv uvid u ono što se moglo dogoditi prije 13 milijardi godina. "Ono što smo učinili jest pokazati da se analogni sustav sa sličnim temeljnim matematičkim jezikom ponaša na određeni način", kaže Richard Haley, član grupe. Ali ako su brane stvarne, a dvije od njih su se sudarile nedugo nakon velikog praska, onda je ovaj eksperiment novi razloga za vjerovanje da su brane stvorile kozmičke strune i tako pomogle objasniti kako je svemir nastao to je.

Dolje u glupu rupu

Godine 1972. William Unruh, profesor teorijske fizike na Sveučilištu British Columbia, održao je prezentaciju o crnim rupama publici nestručnjaka na Sveučilištu Oxford. Ispričao je priču o zajednici riba koje žive blizu vrha vodopada. Što se tiče riba, vodopad je bio granica - ako se usudiš približiti usni, prošao bi točku s koje nema povratka i nikad se više ne bi čulo za tebe. Štoviše, budući da je ta granica označavala točku u kojoj je brzina vode koja se nadire rasla brže od brzine zvuka, bilo kakve molbe za pomoć osuđene ribe neće uspjeti izaći. Unruh je ovaj tihi ponor nazvao "glupom rupom".

Osam godina ova je priča ostala neobičan način objašnjenja, analogija koju je koristio sa studentima kako bi predstavio kako se svjetlost ponaša u blizini crne rupe. Zatim je 1980. Unruhu dodijeljen predavač na tečaju mehanike fluida. “Dok sam jedne večeri pripremao bilješke s predavanja, moj je um napravio vezu”, prisjeća se. Ispostavilo se da analogija nije samo kvalitativna, već aproksimacija. "Shvatio sam da su jednadžbe identične", kaže Unruh - analogija je bila točna. Zamijenite zvuk za svjetlo, jureću tekućinu za zakrivljenost prostor-vremena i nesretnu ribu koja vrište za jednako nesretnog astronauta s radiom, te dvije situacije neće se razlikovati. Matematički gledano, vaš odvod tuša je crna rupa.

Ali priča ima još nešto. Jedna od najvećih misterija o crnim rupama jest jesu li one stvarno, uistinu crne. Godine 1974. teoretski fizičar Stephen Hawking predvidio je da crne rupe imaju konačnu, iako vrlo malu temperaturu, što znači da zrače. "Hawkingovo zračenje", ako postoji, znači da su crne rupe više ugljenosive.

Hawkingov izračun bio je proboj. Otkako su 1920-ih razotkriveni zakoni kvantne mehanike, fizičari su pokušavali spojiti te zakone vrlo malog s Einsteinovom teorijom gravitacije. (Gotovo stoljeće kasnije, još uvijek jesu - ta je potraga, među ostalim, ono što pokreće teoretičare struna.) Hawking nije stvorio kvantnu teoriju gravitacije, ali njegov izračun bio je jedan od prvih koji je primijenio kvantnu mehaniku na gravitacijski sustav, i ostaje najveći poznati.

Ipak, za sada je Hawkingova radijacija samo teoretska pretpostavka, utemeljena pretpostavka o tome što se događa u blizini horizonta crne rupe. Poteškoća je u tome što je signal Hawkingovog zračenja izuzetno slab. Nitko nije uspio vidjeti Hawkingovo zračenje kako izlazi iz crne rupe, iako se neki nadaju da će ga detektirati gama satelit koji će biti lansiran ovog mjeseca.

Ali možda postoji i drugi način. Kad je Unruh primijetio da su jednadžbe za zvuk u blizini vodopada iste kao i za svjetlost u blizini crne rupe, provjerio je odnosi li se Hawkingov izračun i na vodopad. I sasvim sigurno, glupe rupe bi također trebale emitirati čestice procesom sličnim Hawkingovom.

Nažalost, gotovo je jednako teško promatrati Hawkingovo zračenje iz glupe rupe kao i iz crne rupe. Rub vodopada toplo je, užurbano mjesto, a maleni skok temperature koji bi nastao zbog Hawkingovog zračenja bio bi nadjačan svim aktivnostima. Prema Unruhu, uspjeti pronaći Hawkingovo zračenje u glupoj rupi je moguće, "ali to bi zahtijevalo toliki napor, sumnjam da će to biti učinjeno neko vrijeme."

Ipak, glupe rupe nisu jedine rezervne crne rupe. Nakon što je Unruh ukazao na matematičku analogiju između dinamike fluida i crnih rupa, drugi teoretičari također su počeli uočavati povezanost. Godine 2000. Ulf Leonhardt, profesor na Sveučilištu St. Andrews u Škotskoj, objavio je rad u časopisu Physical Review Letters opisujući sustav u kojem bi svjetlost, a ne zvučni valovi, bila usisana u umjetnu crnu rupu. Dvije godine kasnije pokazao je kako se to može testirati u laboratoriju. Još jednom bi svijet kvantnih analoga uronio u ultra-hladnoću.

Stop svjetlo, pa zavrti

Ekvivalenti crne rupe događaju se kada zadovoljite jedan jednostavan uvjet: Vaša tekućina mora teći brže od valova koji putuju kroz nju. Čini se da je svjetlost loš izbor vala, jer je vrlo brza, a tekućine su relativno spore. Ali to nije uvijek slučaj u egzotičnom obliku materije koji se zove Bose-Einsteinov kondenzat.

Bose-Einsteinov kondenzat nastaje kada se svi atomi u plinu ohlade na svoje najniže moguće energetsko stanje. Ti se atomi zatim "kondenziraju" u jedan mega-atom koji se ponaša kao ogromna kvantna čestica. Bose-Einsteinova kondenzacija događa se samo na djeliću stupnja iznad apsolutne nule, na temperaturi toliko niskoj da gotovo sve staje.

Pod pravim uvjetima, to uključuje svjetlo. Godine 1999. fizičarka Lene Hau sa Sveučilišta Harvard usporila je svjetlost na umjereni tempo hoda dok je prolazila kroz Bose-Einsteinov kondenzat. Dvije godine kasnije, usporila ga je do kraja.

Štoviše, rotiranje Bose-Einsteinovog kondenzata stvara pravilan uzorak vrtloga — lokalizirane kvantno-mehaničke vodopade. Prema Leonhardtu, ovi kvantni vodopadi bi se trebali ponašati kao crne rupe za sporu svjetlost, baš kao što bi Unruhove glupe rupe za zvuk. Hawkingov izdajnički porast temperature trebalo bi biti lako uhvatiti kada se smjestite malo iznad apsolutne nule.

Do sada nitko nije uspješno izveo Leonhardtov svjetlosni eksperiment. Ali od tada je pokazao kako stvoriti druge analoge crnih rupa koristeći lakše eksperimentalne postavke. Kad je ovaj časopis otišao u tisak, trebali su biti objavljeni rezultati prvog od ovih eksperimenata.

No, u konačnici, koja je poanta? Hawkingov izračun govori o pravim crnim rupama koje iskrivljuju tkivo prostorvremena. Nikada nije rekao ništa o sporom svjetlu ili vodopadima. Prema Unruhu, promatranje analognog Hawkingovog zračenja bi "ojačalo nečiju vjeru u valjanost njegovog predviđanja". S druge strane, ako nismo vidjeli Hawkingovo zračenje, “to značilo bi da smo nešto ozbiljno krivo razumjeli u fluidnoj situaciji,” kaže on, “i dovelo bi do jake zabrinutosti da smo krivo razumjeli nešto analogno u crnoj rupi slučaj."

U svakom slučaju, kvantni analozi ne mogu pružiti konačni dokaz da je ova ili ona teorija svemira točna. Ali dok znanstvenici ne otkriju kako vidjeti crnu rupu izbliza ili kako vratiti sat unatrag i proučavati inflaciju, analozi nude zemaljski način eksperimentatorima da ih proučavaju. Dok fizičari pomiču granice svog razumijevanja sve dalje od svakodnevnog iskustva, važnost eksperimentalnih dokaza postaje sve akutniji - baš kao što nužni eksperimenti postaju sve teži, ili čak nemoguće. Analogni sustavi jedan su od načina da se popuni praznina, da se provjeri imaju li teorije fizičara doista smisla.

Dešifriranje sustava koje možemo vidjeti, isprobavati i petljati s njima uvijek će biti lakše od razumijevanja onih koje ne možemo. Srećom, ponekad se dogodi da nam relativno poznati slučajevi mogu poslužiti kao modeli za egzotičnije. Kao što Unruh kaže, “Analogija nije identitet. Ali analogija ponekad može biti vrlo dobar vodič.”

James Owen Weatherall je doktorat. student na Stevens Institute of Technology i na Kalifornijskom sveučilištu u Irvineu.