Riesiger Quantentornado verhält sich wie ein schwarzes Loch im Miniaturformat – Physics World

Eine neuartige experimentelle Plattform, bekannt als riesiger Quantenwirbel, ahmt bestimmte Verhaltensweisen von Schwarzen Löchern nach und gibt Wissenschaftlern die Möglichkeit, die Physik dieser astrophysikalischen Strukturen aus nächster Nähe zu beobachten. Der Wirbel erscheint in superflüssigem Helium, das auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt ist, und laut dem Team, das ihn erstellt hat, könnten Untersuchungen seiner Dynamik Hinweise darauf geben, wie kosmologische Schwarze Löcher ihre charakteristischen rotierenden gekrümmten Raumzeiten erzeugen.

Schwarze Löcher üben enorme Gravitationskräfte auf ihre Umgebung aus und krümmen das Gefüge der Raumzeit in einem Ausmaß, das unter anderen Strukturen, die wir im Universum beobachten, beispiellos ist. Diese Kräfte sind so groß, dass sie das Gefüge der Raumzeit um sich herum ziehen, während das Schwarze Loch rotiert, wodurch einzigartig turbulente Umgebungen entstehen.

Solche dramatischen Effekte können im Labor offensichtlich nicht untersucht werden, daher suchen Forscher nach Möglichkeiten, Strukturen herzustellen, die sie nachahmen. Beispielsweise verhalten sich Schwerkraft und Fluiddynamik etwas ähnlich, wenn die Viskosität der Flüssigkeit extrem niedrig ist, wie dies bei flüssigem Helium (einem Superfluid, das heißt, es fließt mit geringer oder keiner Reibung) und Wolken aus kalten Atomen der Fall ist.

Wirbelströme, die in einem Küchenmixer erzeugt werden

Bei Temperaturen nahe dem Nullpunkt (unter -271 °C) enthält flüssiges Helium winzige wirbelnde Strukturen, die als Quantenwirbel bekannt sind. Normalerweise bleiben diese Wirbel auseinander, erklärt Patrik Svancara, ein Physiker an der University of Nottingham, Großbritannien. In der neuesten Studie ist jedoch Svancara Co-Teamchef Silke Weinfurtner, und Kollegen bei Kings College London und Newcastle University gelang es, Zehntausende dieser Quanten in einem kompakten Objekt einzuschließen, das einem Tornado ähnelt.

„Der zentrale Teil unseres Aufbaus ist ein rotierender Propeller, der einen kontinuierlichen zirkulierenden Kreislauf aus superflüssigem Helium aufbaut und so den darüber gebildeten Wirbel stabilisiert“, erklären Weinfurtner und Svancara. Sie fügen hinzu, dass dieser Aufbau von inspiriert wurde Forscher in Japan, die ebenfalls riesige Wirbelströmungen erzeugten in einem Gerät, das einem Küchenmixer ähnelt, anstatt die gesamte Versuchsapparatur auf einer rotierenden Plattform zu platzieren.

Von gewöhnlichen Flüssigkeiten bis hin zu Superflüssigkeiten

Die Forscher begannen ihre Experimente mit rotierende Flüssigkeiten im Jahr 2017, als sie in einer speziell entwickelten „Badewanne“, die fast 2000 Liter Wasser enthielt, die Wellendynamik eines Schwarzen Lochs beobachteten. „Dies war ein Durchbruch für das Verständnis einiger bizarrer Phänomene, deren anderweitige Untersuchung oft schwierig, wenn nicht sogar unmöglich ist“, sagt Weinfurtner, Physiker an der Nottingham University Schwarzes-Loch-Labor, wo das Experiment konzipiert und entwickelt wurde. „Mit unserem ausgefeilteren Experiment haben wir diese Forschung nun auf die nächste Ebene gebracht, die uns schließlich dazu führen könnte, vorherzusagen, wie sich Quantenfelder in gekrümmten Raumzeiten um astrophysikalische Schwarze Löcher verhalten.“

Der Übergang von klassischen Flüssigkeiten wie Wasser zu Quantenflüssigkeiten wie supraflüssigem Helium sei unerlässlich, erklärt Weinfurtner, da die Viskosität der Supraflüssigkeit viel geringer sei. Superflüssigkeiten weisen auch einzigartige quantenmechanische Eigenschaften auf, wie die Quantisierung der Wirbelstärke, was bedeutet, dass jeder Wirbel in supraflüssigem Helium aus Elementarquanten, sogenannten Quantenwirbeln, bestehen muss. „Der Aufbau großer Wirbel wie unseres ist eine Herausforderung, da einzelne Quanten dazu neigen, sich voneinander zu entfernen, wie Patrik erwähnt hat“, erzählt Weinfurtner Physik-Welt„Aber wir konnten Wirbelströme stabilisieren, die Zehntausende Quanten in einem kompakten Bereich aufnehmen, [was] ein rekordverdächtiger Wert im Bereich der Quantenflüssigkeiten ist.“

Die neue Struktur werde Forschern dabei helfen, die Quantenfelddynamik in komplexen rotierenden gekrümmten Raumzeiten wie Schwarzen Löchern zu simulieren, und eine Alternative zu den zweidimensionalen ultrakalten Systemen bieten, die bisher üblicherweise in solchen Studien verwendet wurden, fügt sie hinzu.

„Der Einsatz fortschrittlicher Strömungskontrolltechniken und hochauflösender Detektionsmethoden zur Erfassung der Wellendynamik auf der Oberfläche des Suprafluids hat es uns ermöglicht, makroskopische Strömungsstrukturen zu extrahieren und komplizierte Wellen-Wirbel-Wechselwirkungen zu visualisieren“, sagt sie. „Diese Beobachtungen haben das Vorhandensein mikroskopisch kleiner gebundener Zustände und Phänomene von gezeigt Schwarzes Loch-ähnliches Klingeln auf der freien Oberfläche eines riesigen Quantenwirbels, den wir derzeit weiter untersuchen.“

Die Forscher planen nun, die Genauigkeit ihrer Nachweismethode zu verbessern und Regime zu untersuchen, in denen die Quantisierung der Wirbelstärke wichtig wird. „Dieses Merkmal könnte die Art und Weise beeinflussen, wie Schwarze Löcher mit ihrer Umgebung interagieren, und uns möglicherweise etwas über die Physik von Schwarzen Löchern lehren“, sagt Svancara.

Die vorliegende Arbeit ist detailliert in Natur.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/giant-quantum-tornado-behaves-like-a-black-hole-in-miniature/