巨大な量子竜巻はミニチュアのブラックホールのように振る舞う – Physics World

巨大量子渦として知られる新しい実験プラットフォームは、ブラック ホールの特定の動作を模倣しており、科学者にこれらの天体物理構造の物理学を間近で観察する機会を与えています。この渦は絶対零度近くまで冷却された超流動ヘリウムの中に出現し、渦を作成したチームによると、その力学の研究により、宇宙論的ブラックホールが特徴的な回転する湾曲した時空をどのように生成するのかについてのヒントが得られる可能性があるという。

ブラックホールは周囲に巨大な重力を及ぼし、宇宙で観察される他の構造の中で前例のない程度に時空の構造を湾曲させます。これらの力は非常に大きいため、ブラック ホールが回転するときに周囲の時空構造を引きずり、独特の乱流環境を作り出します。

このような劇的な効果は明ら​​かに実験室では研究できないため、研究者らはそれらを模倣する構造を作る方法を模索している。たとえば、液体ヘリウム (超流動、つまり摩擦がほとんどまたはまったくなく流れることを意味します) や冷たい原子の雲の場合のように、流体の粘度が極端に低い場合、重力と流体力学はある程度似たように動作します。

キッチンブレンダーで作る渦流

ほぼゼロ温度 (-271 °C 未満) では、液体ヘリウムには量子渦として知られる小さな渦巻き構造が含まれています。通常、これらの渦は離れたままである、と説明する パトリック・スヴァンカラ、物理学者 ノッティンガム大学、 イギリス。しかし、最新の研究では、共同チームリーダーのスヴァンカラ氏は、 シルケ・ヴァインフルトナー、および同僚 キングス·カレッジ·ロンドン および ニューキャッスル大学 彼らは、これらの量子数万を、竜巻に似たコンパクトな物体の中に閉じ込めることに成功した。

「私たちのセットアップの中心部分は、超流動ヘリウムの連続循環ループを確立し、その上に形成される渦を安定させる回転プロペラです」とワインフルトナーとスヴァンカラは説明する。彼らは、このセットアップは以下からインスピレーションを得たと付け加えています。 同様に巨大な渦流を生成した日本の研究者 実験装置全体を回転台の上に置くのではなく、キッチンブレンダーに似た装置を使用します。

普通流体から超流体へ

研究者たちは実験を始めました 2017 年の回転流体、約2000リットルの水が入った特別に設計された「浴槽」の中でブラックホールを模倣した波動を観察したとき。 「これは、不可能ではないにしても、他の方法で研究することがしばしば困難ないくつかの奇妙な現象を理解するための画期的な瞬間でした」とノッティンガム大学の物理学者ワインフルトナーは言う。 ブラックホール研究室、実験が考案され、開発された場所です。 「今回、より洗練された実験により、私たちはこの研究を次のレベルに引き上げました。最終的には、天体物理学のブラックホールの周りの曲がった時空で量子場がどのように振る舞うかを予測することにつながる可能性があります。」

超流体の粘度ははるかに小さいため、水のような古典的な流体から超流動ヘリウムのような量子流体への移行は不可欠であったとワインフルトナー氏は説明する。超流体は、渦強度の量子化などの独特の量子力学特性も示します。これは、超流動ヘリウム内の渦は量子渦と呼ばれる基本量子で構成されている必要があることを意味します。 「パトリック氏が述べたように、個々の量子は互いに離れて移動する傾向があるため、私たちのような大きな渦を設定するのは困難です」とワインフルトナー氏は語る 物理学の世界「しかし、私たちはコンパクトな領域に数万の量子を収容する渦流を安定させることができました。これは量子流体の分野で記録破りの値です。」

この新しい構造は、研究者がブラックホールのような複雑に回転する湾曲した時空内の量子場のダイナミクスをシミュレートするのに役立ち、これまでそのような研究で従来使用されてきた二次元の超低温システムに代わる手段を提供するだろうと彼女は付け加えた。

「高度な流れ制御技術と高解像度の検出方法を活用して超流体表面の波動を検出することで、巨視的な流れ構造を抽出し、複雑な波と渦の相互作用を視覚化することができました」と彼女は言います。 「これらの観察により、微視的な結合状態と現象の存在が明らかになりました。 ブラックホールのような鳴り響く音 巨大な量子渦の自由表面上で、私たちは現在さらに調査を進めています。」

研究者らは現在、検出方法の精度を向上させ、渦強度の量子化が重要になる領域を探索することを計画している。 「この特徴は、ブラックホールが周囲と相互作用する方法に影響を与える可能性があり、ブラックホールの物理学について私たちに教えてくれる可能性があります」とスヴァンカラ氏は言う。

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