Hiiglaslik kvanttornaado käitub nagu must auk miniatuuris – Physics World

Uudne eksperimentaalplatvorm, mida tuntakse hiiglasliku kvantpöörisena, jäljendab teatud mustade aukude käitumist, andes teadlastele võimaluse nende astrofüüsikaliste struktuuride füüsikat lähedalt jälgida. Keeris ilmub ülivedelikus heeliumis, mis on jahutatud peaaegu absoluutse nulli temperatuurini, ja selle loonud meeskonna sõnul võivad selle dünaamika uuringud anda vihjeid selle kohta, kuidas kosmoloogilised mustad augud tekitavad neile iseloomulikke pöörlevaid kõveraid aegruumi.

Mustad augud avaldavad oma ümbrusele tohutuid gravitatsioonijõude, kõverdades aegruumi kangast määral, mis on enneolematu teiste universumis vaadeldavate struktuuride hulgas. Need jõud on nii suured, et tõmbavad musta augu pöörlemisel enda ümber aegruumi, luues ainulaadselt turbulentse keskkonna.

Selliseid dramaatilisi mõjusid ei saa ilmselt laboris uurida, nii et teadlased uurivad võimalusi, kuidas neid jäljendavaid struktuure luua. Näiteks gravitatsioon ja vedeliku dünaamika käituvad mõnevõrra sarnaselt, kui vedeliku viskoossus on äärmiselt madal, nagu see on vedela heeliumi (ülivedelik, mis tähendab, et see voolab vähese hõõrdumisega või üldse mitte) ja külmade aatomite pilvede puhul.

Köögiblenderis tekitatud vortex voolab

Nullilähedasel temperatuuril (alla -271 °C) sisaldab vedel heelium pisikesi keerlevaid struktuure, mida tuntakse kvantpööristena. Tavaliselt jäävad need keerised lahku, selgitab Patrik Svancara, füüsik Nottinghami ülikool, Ühendkuningriik. Viimases uuringus aga Svancara, kaasmeeskonna juht Silke Weinfurtnerja kolleegid aadressil King's College London ja Newcastle'i ülikool suutis kümneid tuhandeid neist kvantidest piirata kompaktsesse objekti, mis meenutab tornaadot.

"Meie seadistuse keskne osa on pöörlev propeller, mis loob pideva ülivedeliku heeliumi ringluse, stabiliseerides selle kohal tekkinud keerise," selgitavad Weinfurtner ja Svancara. Nad lisavad, et see seadistus oli inspireeritud Jaapani teadlased, kes samuti tekitasid hiiglaslikke keerisevooge köögisegisti meenutavas seadmes, mitte asetades kogu katseaparaadi pöörlevale platvormile.

Tavalistest vedelikest supervedelikeni

Teadlased alustasid oma katseid pöörlevad vedelikud tagasi 2017. aastal, kui nad jälgisid musta auku jäljendavat laine dünaamikat spetsiaalselt selleks loodud "vannis", mis sisaldas peaaegu 2000 liitrit vett. "See oli murranguline hetk, et mõista mõningaid veidraid nähtusi, mille uurimine on sageli keeruline, kui mitte võimatu, " ütleb Nottinghami füüsik Weinfurtner. Musta augu laboratoorium, kus katse kavandati ja arendati. "Nüüd oleme oma keerukama katsega viinud selle uuringu järgmisele tasemele, mis võib lõpuks viia meid ennustama, kuidas kvantväljad käituvad astrofüüsikaliste mustade aukude ümber kõverates ruumiaegades."

Weinfurtner selgitab, et üleminek klassikalistelt vedelikelt nagu vesi kvantvedelikele nagu ülivedelik heelium oli hädavajalik, sest supervedeliku viskoossus on palju väiksem. Superfluididel on ka ainulaadsed kvantmehaanilised omadused, nagu keerise tugevuse kvantifitseerimine, mis tähendab, et kõik ülivedeliku heeliumi keerised peavad koosnema elementaarkvantidest, mida nimetatakse kvantpööristeks. "Meiesuguste suurte keeriste püstitamine on keeruline, kuna üksikud kvantid kipuvad üksteisest eemalduma, nagu Patrik mainis," räägib Weinfurtner. Füüsika maailm, "aga me suutsime stabiliseerida keerisevooge, mis mahutavad kompaktses piirkonnas kümneid tuhandeid kvante, [mis] on kvantvedelike valdkonnas rekordiline väärtus."

Ta lisab, et uus struktuur aitab teadlastel simuleerida kvantvälja dünaamikat keerulistes pöörlevates kõverates aegruumis, nagu mustad augud, ja pakkuda alternatiivi kahemõõtmelistele ülikülmadele süsteemidele, mida sellistes uuringutes seni tavapäraselt kasutatud.

"Täiustatud voolu juhtimise tehnikate ja kõrge eraldusvõimega tuvastamismeetodite kasutamine ülivedeliku pinnal laine dünaamika tuvastamiseks on võimaldanud meil eraldada makroskoopilisi voolustruktuure ja visualiseerida keerulisi laine-pöörise interaktsioone, " ütleb ta. "Need tähelepanekud on näidanud mikroskoopiliste seotud olekute ja nähtuste olemasolu musta augu moodi helin hiiglasliku kvantpöörise vabal pinnal, mida me praegu täiendavalt uurime.

Teadlased kavatsevad nüüd suurendada oma tuvastamismeetodi täpsust ja uurida režiime, kus keerise tugevuse kvantifitseerimine muutub oluliseks. "See funktsioon võib mõjutada seda, kuidas mustad augud oma ümbrusega suhtlevad, õpetades meile potentsiaalselt mustade aukude füüsikat," ütleb Svancara.

Käesolevat tööd on üksikasjalikult kirjeldatud loodus.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/giant-quantum-tornado-behaves-like-a-black-hole-in-miniature/