Μπορούν οι αναλογίες να αποκαλύψουν τους νόμους της φυσικής;

Ελπίζοντας να αποκτήσουν γνώση σε τομείς της φύσης που βρίσκονται πέρα ​​από την πειραματική εμβέλεια - το εσωτερικό των μαύρων τρυπών, τις λεπτές αποχρώσεις του κβαντικού βασιλείου, το Big Bang - οι φυσικοί πειραματίζονται σε «αναλογικά» συστήματα κατασκευασμένα από ρευστά και άλλα εύκολα χειριζόμενα υλικά που μπορούν να μοντελοποιημένο με παρόμοιες εξισώσεις. Τα αποτελέσματα από αυτά τα αναλογικά πειράματα καταλήγουν συχνά σε κορυφαία επιστημονικά περιοδικά, με την αίσθηση ότι λένε κάτι για τα συστήματα ενδιαφέροντος. Αλλά το κάνουν; Και πώς ξέρουμε;

Όπως είπε ο Stephan Hartmann, φιλόσοφος της φυσικής στο Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilian του Μονάχου, «Υπό ποιες συνθήκες μπορούν να αποδείξουν ότι αποκτούμε εδώ σε ένα συγκεκριμένο πείραμα, να επιβεβαιώσουν ή να υποστηρίξουν ισχυρισμούς σχετικά με ένα διαφορετικό σύστημα, το οποίο είναι πολύ μακριά;»

Το ζήτημα συνεχίζει να εμφανίζεται.

Το 2014, οι ερευνητές ανέφεραν στο Nature ότι είχαν ανακαλύψει μια σωματιδιακή κατάσταση σε ένα ρευστό από υπερψυχρά άτομα ρουβιδίου που είναι ανάλογο με ένα μαγνητικό μονόπολο - ένα από καιρό αναζητούμενο, υποθετικό στοιχειώδες σωματίδιο που θα λειτουργούσε σαν το ένα άκρο ενός μαγνήτη. Ένας φυσικός αναφέρθηκε στο Nature News θεώρησε την ανακάλυψη «έναν ακόμη λόγο για τον οποίο θα έπρεπε να υπάρχει το μαγνητικό μονόπολο ως θεμελιώδες σωματίδιο». Αλλά είναι πραγματικά;

Σε μια πρόσφατη περίπτωση για την οποία έγραψα στο Quanta Αυτή την εβδομάδα, ένας φυσικός στο Ισραήλ δημιούργησε ένα ρευστό που παγιδεύει τον ήχο όπως μια μαύρη τρύπα παγιδεύει το φως. Στη συνέχεια ανίχνευσε ένα φαινόμενο σε αυτή την «ηχητική μαύρη τρύπα» που είναι ανάλογο με την ακτινοβολία Hawking, ένα υποθετικό φαινόμενο μαύρης τρύπας που προβλέφθηκε από τον Stephen Hawking το 1974 με βαθιές συνέπειες για το πώς λειτουργεί το σύμπαν. Το επιτραπέζιο πείραμα παρέχει έμμεσα στοιχεία για την πρόβλεψη του Χόκινγκ;

Ο Χάρτμαν υποστηρίζει ότι ο πειραματισμός σε ηχητικές μαύρες τρύπες μπορεί πράγματι να ρίξει φως σε πραγματικές, επειδή μπορεί να υπάρχει μια «κοινή αιτία» πίσω από τα παρόμοια μαθηματικά τους. Με τον ίδιο τρόπο, τα κίτρινα δάχτυλα και οι καρδιακές παθήσεις προκαλούνται από το κάπνισμα και η ανίχνευση του ενός μπορεί να είναι απόδειξη του άλλου. Από την άλλη πλευρά, πολλοί ειδικοί στις μαύρες τρύπες δεν βάζουν απόθεμα στην αναλογία και τη θεωρούν δυνητικά παραπλανητική, καθώς δεν είναι γνωστό εάν τα μαθηματικά του Χόκινγκ, στα οποία βασίζεται η αναλογία, περιγράφουν πράγματι τις μαύρες τρύπες.

Είτε έτσι είτε αλλιώς, η κατάσταση «εγείρει υπέροχα φιλοσοφικά ερωτήματα», είπε ο Χάρτμαν, «επειδή μαθαίνουμε για νέους τύπους αποδεικτικών στοιχείων». Όλο και περισσότερο, είπε, οι θεωρίες της φυσικής όπως η θεωρία χορδών και το πολυσύμπαν περιγράφουν βασίλεια της φύσης που είναι απρόσιτα στους πειραματιστές. Οι άμεσες δοκιμές τέτοιων θεωριών φαίνονται αδύνατες. «Έτσι πρέπει να σκεφτούμε εναλλακτικούς τρόπους δοκιμής θεωριών. Και ό,τι κι αν σκεφτόμαστε για αυτά τα αναλογικά πειράματα αυτή τη στιγμή, νομίζω ότι αυτά τα έργα πάνε ακριβώς στη σωστή κατεύθυνση.”

Οι άνθρωποι προσπαθούν να βρουν έμμεσα στοιχεία για επιστημονικές θεωρίες, είπε. "Χρειαζόμαστε περισσότερα από αυτά, και σίγουρα θα δούμε περισσότερα από αυτά στο μέλλον."

Το καθήκον τώρα είναι για τους επιστήμονες να καταλάβουν πώς να ερμηνεύσουν αυτό το νέο είδος πειράματος.

«Υπάρχει μια διαίσθηση ότι υπάρχει κάτι διαφορετικό στο να κάνεις μια αναλογική προσομοίωση, να κάνεις μια προσομοίωση υπολογιστή, να κάνεις ένα άμεσο πείραμα, να κάνεις έναν υπολογισμό», είπε ο Karim Thebault, ένας φιλόσοφος φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ που έχει γράψει για το ηχητικά πειράματα μαύρης τρύπας. «Αλλά ποια είναι αυτή η διαφορά δεν εξηγείται πάντα αρκετά καθαρά».