Il tornado quantistico gigante si comporta come un buco nero in miniatura – Physics World

Una nuova piattaforma sperimentale nota come vortice quantistico gigante imita alcuni comportamenti dei buchi neri, offrendo agli scienziati l’opportunità di osservare da vicino la fisica di queste strutture astrofisiche. Il vortice appare nell'elio superfluido raffreddato a temperature vicine allo zero assoluto e, secondo il team che lo ha realizzato, gli studi sulla sua dinamica potrebbero offrire suggerimenti su come i buchi neri cosmologici producono i loro caratteristici spaziotempi rotanti curvi.

I buchi neri esercitano enormi forze gravitazionali sull’ambiente circostante, curvando il tessuto dello spaziotempo in una misura che non ha precedenti tra le altre strutture che osserviamo nell’universo. Queste forze sono così grandi che trascinano attorno a sé il tessuto dello spaziotempo mentre il buco nero ruota, creando ambienti turbolenti unici.

Ovviamente effetti così drammatici non possono essere studiati in laboratorio, quindi i ricercatori stanno esplorando modi per creare strutture che li imitino. Ad esempio, la gravità e la dinamica dei fluidi si comportano in modo simile se la viscosità del fluido è estremamente bassa, come nel caso dell'elio liquido (un superfluido, il che significa che scorre con poco o nessun attrito) e delle nuvole di atomi freddi.

Flussi di vortice creati in un frullatore da cucina

A temperature vicine allo zero (meno di -271 °C), l’elio liquido contiene minuscole strutture vorticose note come vortici quantistici. Normalmente questi vortici restano separati, spiega Patrik Svancara, un fisico al Università di Nottingham, UK. Nell'ultimo studio, invece, Svancara, co-team leader Silke Weinfurtnere colleghi di King College di Londra ed Newcastle University è riuscito a confinare decine di migliaia di questi quanti in un oggetto compatto che ricorda un tornado.

“La parte centrale del nostro sistema è un’elica rotante che stabilisce un circuito circolante continuo di elio superfluido, stabilizzando il vortice formato sopra di essa”, spiegano Weinfurtner e Svancara. Questo allestimento, aggiungono, è stato ispirato da ricercatori in Giappone, che allo stesso modo hanno prodotto giganteschi flussi di vortici in un dispositivo che assomiglia a un frullatore da cucina, anziché posizionando l'intero apparato sperimentale su una piattaforma rotante.

Dai fluidi ordinari ai superfluidi

I ricercatori hanno iniziato i loro esperimenti con fluidi rotanti nel 2017, quando hanno osservato la dinamica delle onde che imitava il buco nero in una “vasca da bagno” appositamente progettata contenente quasi 2000 litri d’acqua. "Questo è stato un momento rivoluzionario per comprendere alcuni dei fenomeni bizzarri che spesso sono difficili, se non impossibili, da studiare in altro modo", afferma Weinfurtner, fisico del Nottingham's. Laboratorio del buco nero, dove l'esperimento è stato ideato e sviluppato. “Ora, con il nostro esperimento più sofisticato, abbiamo portato questa ricerca a un livello superiore, che potrebbe portarci a prevedere come si comportano i campi quantistici nello spaziotempo curvo attorno ai buchi neri astrofisici”.

La transizione dai fluidi classici come l'acqua a quelli quantistici come l'elio superfluido era essenziale, spiega Weinfurtner, perché la viscosità del superfluido è molto più piccola. I superfluidi mostrano anche proprietà quantomeccaniche uniche come la quantizzazione della forza dei vortici, il che significa che qualsiasi vortice nell’elio superfluido deve essere composto da quanti elementari chiamati vortici quantistici. "Creare grandi vortici come il nostro è impegnativo poiché i singoli quanti tendono ad allontanarsi gli uni dagli altri, come ha detto Patrik", dice Weinfurtner Mondo della fisica, "ma siamo stati in grado di stabilizzare i flussi di vortici che ospitano decine di migliaia di quanti in una regione compatta, [che] è un valore da record nel regno dei fluidi quantistici."

La nuova struttura aiuterà i ricercatori a simulare la dinamica dei campi quantistici all’interno di complessi spazi-tempi rotanti curvi, come i buchi neri, e offrirà un’alternativa ai sistemi ultrafreddi bidimensionali convenzionalmente utilizzati fino ad ora in tali studi, aggiunge.

"Sfruttare tecniche avanzate di controllo del flusso e metodi di rilevamento ad alta risoluzione per rilevare la dinamica delle onde sulla superficie del superfluido ci ha permesso di estrarre strutture di flusso macroscopiche e visualizzare complesse interazioni onda-vortice", afferma. “Queste osservazioni hanno rivelato la presenza di stati legati microscopici e di fenomeni di suono simile a un buco nero sulla superficie libera di un gigantesco vortice quantistico, che stiamo attualmente studiando ulteriormente”.

I ricercatori ora intendono migliorare la precisione del loro metodo di rilevamento ed esplorare regimi in cui la quantizzazione della forza del vortice diventa importante. “Questa caratteristica potrebbe influenzare il modo in cui i buchi neri interagiscono con l’ambiente circostante, insegnandoci potenzialmente la fisica dei buchi neri”, afferma Svancara.

Il presente lavoro è dettagliato in Natura.

• Distribuzione di contenuti basati su SEO e PR. Ricevi amplificazione oggi.
• PlatoData.Network Generativo verticale Ai. Potenzia te stesso. Accedi qui.
• PlatoAiStream. Intelligenza Web3. Conoscenza amplificata. Accedi qui.
• PlatoneESG. Carbonio, Tecnologia pulita, Energia, Ambiente, Solare, Gestione dei rifiuti. Accedi qui.
• Platone Salute. Intelligence sulle biotecnologie e sulle sperimentazioni cliniche. Accedi qui.
• Fonte: https://physicsworld.com/a/giant-quantum-tornado-behaves-like-a-black-hole-in-miniature/