Tornado cuántico gigante se comporta como un agujero negro en miniatura – Física Mundial

Una novedosa plataforma experimental conocida como vórtice cuántico gigante imita ciertos comportamientos de los agujeros negros, brindando a los científicos la oportunidad de observar de cerca la física de estas estructuras astrofísicas. El vórtice aparece en helio superfluido enfriado a temperaturas cercanas al cero absoluto y, según el equipo que lo creó, los estudios de su dinámica podrían ofrecer pistas sobre cómo los agujeros negros cosmológicos producen sus característicos espacios-tiempos curvos y giratorios.

Los agujeros negros ejercen enormes fuerzas gravitacionales en su entorno, curvando el tejido del espacio-tiempo en un grado sin precedentes entre otras estructuras que observamos en el universo. Estas fuerzas son tan grandes que arrastran el tejido del espacio-tiempo a su alrededor a medida que el agujero negro gira, creando entornos excepcionalmente turbulentos.

Obviamente, efectos tan dramáticos no pueden estudiarse en el laboratorio, por lo que los investigadores están explorando formas de crear estructuras que los imiten. Por ejemplo, la gravedad y la dinámica de fluidos se comportan de manera algo similar si la viscosidad del fluido es extremadamente baja, como es el caso del helio líquido (un superfluido, lo que significa que fluye con poca o ninguna fricción) y las nubes de átomos fríos.

Flujos de vórtice creados en una batidora de cocina

A temperaturas cercanas a cero (menos de -271 °C), el helio líquido contiene pequeñas estructuras giratorias conocidas como vórtices cuánticos. Normalmente estos vórtices permanecen separados, explica Patrik Svancara, físico de la Universidad de Nottingham, REINO UNIDO. Sin embargo, en el último estudio, Svancara, codirector del equipo Silke Weinfurtnery colegas de El Kings College de Londres y Universidad de Newcastle logró confinar decenas de miles de estos cuantos en un objeto compacto que se asemeja a un tornado.

"La parte central de nuestra instalación es una hélice giratoria que establece un circuito de circulación continua de helio superfluido, estabilizando el vórtice formado encima", explican Weinfurtner y Svancara. Esta configuración, añaden, se inspiró en investigadores en Japón, que también produjeron flujos de vórtices gigantes en un dispositivo que se asemeja a una batidora de cocina, en lugar de colocar todo el aparato experimental sobre una plataforma giratoria.

De fluidos ordinarios a superfluidos

Los investigadores comenzaron sus experimentos con fluidos rotativos en 2017, cuando observaron la dinámica de las ondas que imitaban los agujeros negros en una “bañera” especialmente diseñada que contenía casi 2000 litros de agua. "Este fue un momento decisivo para comprender algunos de los fenómenos extraños que a menudo son difíciles, si no imposibles, de estudiar de otra manera", dice Weinfurtner, físico de la Universidad de Nottingham. Laboratorio de agujeros negros, donde se concibió y desarrolló el experimento. "Ahora, con nuestro experimento más sofisticado, hemos llevado esta investigación al siguiente nivel, lo que eventualmente podría llevarnos a predecir cómo se comportan los campos cuánticos en el espacio-tiempo curvo alrededor de los agujeros negros astrofísicos".

La transición de fluidos clásicos como el agua a fluidos cuánticos como el helio superfluido fue esencial, explica Weinfurtner, porque la viscosidad del superfluido es mucho menor. Los superfluidos también muestran propiedades mecánicas cuánticas únicas, como la cuantificación de la fuerza del vórtice, lo que significa que cualquier vórtice en helio superfluido debe estar compuesto de cuantos elementales llamados vórtices cuánticos. "Crear grandes vórtices como el nuestro es un desafío, ya que los cuantos individuales tienden a separarse unos de otros, como mencionó Patrik", dice Weinfurtner. Mundo de la física, "pero pudimos estabilizar flujos de vórtices que acomodan decenas de miles de cuantos en una región compacta, [que] es un valor récord en el ámbito de los fluidos cuánticos".

La nueva estructura ayudará a los investigadores a simular la dinámica del campo cuántico dentro de complejos espacios-tiempo curvos y giratorios, como los agujeros negros, y ofrecerá una alternativa a los sistemas bidimensionales ultrafríos utilizados convencionalmente en tales estudios hasta ahora, añade.

"Aprovechar técnicas avanzadas de control de flujo y métodos de detección de alta resolución para detectar la dinámica de las olas en la superficie del superfluido nos ha permitido extraer estructuras de flujo macroscópicas y visualizar intrincadas interacciones onda-vórtice", dice. “Estas observaciones han revelado la presencia de estados ligados microscópicos y fenómenos de zumbido parecido a un agujero negro en la superficie libre de un vórtice cuántico gigante, que actualmente estamos investigando más a fondo”.

Los investigadores ahora planean mejorar la precisión de su método de detección y explorar regímenes en los que la cuantificación de la fuerza del vórtice se vuelve importante. "Esta característica podría influir en la forma en que los agujeros negros interactúan con su entorno, enseñándonos potencialmente sobre la física de los agujeros negros", dice Svancara.

El presente trabajo se detalla en Naturaleza.

• Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
• PlatoData.Network Vertical Generativo Ai. Empodérate. Accede Aquí.
• PlatoAiStream. Inteligencia Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
• PlatoESG. Carbón, tecnología limpia, Energía, Ambiente, Solar, Gestión de residuos. Accede Aquí.
• PlatoSalud. Inteligencia en Biotecnología y Ensayos Clínicos. Accede Aquí.
• Fuente: https://physicsworld.com/a/giant-quantum-tornado-behaves-like-a-black-hole-in-miniature/