Az óriási kvantumtornádó úgy viselkedik, mint egy fekete lyuk a miniatűrben – Fizika világa

Az óriási kvantumörvényként ismert új kísérleti platform a fekete lyukak bizonyos viselkedését utánozza, így a tudósok lehetőséget adnak arra, hogy közelről megfigyeljék ezen asztrofizikai struktúrák fizikáját. Az örvény az abszolút nulla közeli hőmérsékletre hűtött szuperfolyékony héliumban jelenik meg, és az azt alkotó csapat szerint a dinamikájának tanulmányozása tippeket adhat arra vonatkozóan, hogy a kozmológiai fekete lyukak miként hozzák létre jellegzetes forgó görbe téridejüket.

A fekete lyukak hatalmas gravitációs erőket fejtenek ki környezetükre, olyan mértékben meggörbítve a téridő szövetét, amilyenre az univerzumban megfigyelt egyéb struktúrák közül példátlan. Ezek az erők olyan nagyok, hogy maguk körül húzzák a téridő szövetét, miközben a fekete lyuk forog, és egyedülállóan turbulens környezetet hoznak létre.

Az ilyen drámai hatásokat nyilvánvalóan nem lehet laboratóriumban tanulmányozni, ezért a kutatók olyan struktúrák készítésének módjait kutatják, amelyek utánozzák ezeket. Például a gravitáció és a folyadékdinamika némileg hasonlóan viselkedik, ha a folyadék viszkozitása rendkívül alacsony, mint a folyékony hélium (szuperfolyadék, ami azt jelenti, hogy csekély súrlódással vagy egyáltalán nem áramlik) és a hideg atomok felhői esetében.

Vortex folyik egy konyhai turmixgépben

Zéróhoz közeli hőmérsékleten (-271 °C alatt) a folyékony hélium apró örvénylő szerkezeteket tartalmaz, amelyeket kvantumörvényeknek neveznek. Normális esetben ezek az örvények egymástól távol maradnak, magyarázza Patrik Svancara, a fizikus a University of Nottingham, Egyesült Királyság. A legfrissebb tanulmányban azonban Svancara társcsapatvezető Silke Weinfurtnerés kollégái a címen King's College London és a Newcastle Egyetem sikerült több tízezer ilyen kvantumot egy kompakt objektumba zárni, amely egy tornádóra emlékeztet.

„Elrendezésünk központi része egy forgó propeller, amely egy folyamatos keringő szuperfolyékony hélium hurkot hoz létre, stabilizálja a felette kialakult örvényt” – magyarázza Weinfurtner és Svancara. Ezt az összeállítást, hozzáteszik, az ihlette Japán kutatói, akik szintén óriási örvényáramokat hoztak létre egy konyhai turmixgépre emlékeztető eszközben, nem pedig úgy, hogy a teljes kísérleti berendezést egy forgó platformra helyezik.

A közönséges folyadékoktól a szuperfolyadékokig

A kutatók azzal kezdték kísérleteiket forgó folyadékok 2017-ben, amikor fekete lyukat utánzó hullámdinamikát figyeltek meg egy speciálisan tervezett „fürdőkádban”, amely közel 2000 liter vizet tartalmazott. „Ez áttörést jelentett néhány bizarr jelenség megértésében, amelyek másként tanulmányozása gyakran kihívást, ha nem lehetetlen” – mondja Weinfurtner, a Nottingham fizikusa. Fekete Lyuk Laboratórium, ahol a kísérletet kitalálták és kidolgozták. "Most kifinomultabb kísérletünkkel ezt a kutatást a következő szintre emeltük, ami végül elvezethet ahhoz, hogy megjósoljuk, hogyan viselkednek a kvantummezők az asztrofizikai fekete lyukak körüli görbe téridőben."

A klasszikus folyadékokról, például a vízről a kvantumokra, például a szuperfolyékony héliumra való átállás elengedhetetlen volt, magyarázza Weinfurtner, mivel a szuperfolyadék viszkozitása sokkal kisebb. A szuperfolyadékok egyedi kvantummechanikai tulajdonságokkal is rendelkeznek, mint például az örvényerő kvantálása, ami azt jelenti, hogy a szuperfolyékony héliumban lévő bármely örvénynek elemi kvantumokból, úgynevezett kvantumörvényekből kell állnia. „A miénkhez hasonló nagy örvények felállítása kihívást jelent, mivel az egyes kvantumok hajlamosak eltávolodni egymástól, ahogy Patrik említette” – mondja Weinfurtner. Fizika Világa, „de képesek voltunk stabilizálni az örvényáramokat, amelyek több tízezer kvantum befogadására alkalmasak egy kompakt régióban, [ami] rekordértéket jelent a kvantumfolyadékok birodalmában.”

Az új struktúra segít a kutatóknak a kvantumtér dinamikájának szimulálásában bonyolult forgó görbe téridőben, például a fekete lyukakban, és alternatívát kínál az ilyen vizsgálatokban eddig hagyományosan használt kétdimenziós ultrahideg rendszerek helyett – teszi hozzá.

"A fejlett áramlásszabályozási technikák és a nagy felbontású detektálási módszerek kihasználása a szuperfolyadék felszínén lévő hullámdinamika kimutatására lehetővé tette számunkra, hogy makroszkopikus áramlási struktúrákat vonjunk ki, és láthatóvá tegyük a bonyolult hullám-örvény kölcsönhatásokat" - mondja. „Ezek a megfigyelések feltárták a mikroszkopikus kötött állapotok és jelenségek jelenlétét fekete lyukszerű csengetés egy óriási kvantumörvény szabad felületén, amelyet jelenleg tovább vizsgálunk.”

A kutatók most azt tervezik, hogy fokozzák kimutatási módszerük pontosságát, és feltárják azokat a rendszereket, amelyekben az örvényerő kvantálása fontossá válik. "Ez a tulajdonság befolyásolhatja azt, ahogy a fekete lyukak kölcsönhatásba lépnek a környezetükkel, és potenciálisan megtaníthat minket a fekete lyukak fizikájára" - mondja Svancara.

A jelen munka részletesen a Természet.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/giant-quantum-tornado-behaves-like-a-black-hole-in-miniature/