Gigantyczne tornado kwantowe zachowuje się jak czarna dziura w miniaturze – Świat Fizyki

Nowatorska platforma eksperymentalna znana jako gigantyczny wir kwantowy naśladuje pewne zachowania czarnych dziur, dając naukowcom możliwość obserwacji fizyki tych struktur astrofizycznych z bliska. Wir pojawia się w nadciekłym helu schłodzonym do temperatur bliskich zeru absolutnemu i zdaniem zespołu, który go stworzył, badania jego dynamiki mogą dostarczyć wskazówek, w jaki sposób kosmologiczne czarne dziury wytwarzają swoje charakterystyczne wirujące zakrzywione czasoprzestrzeni.

Czarne dziury wywierają ogromne siły grawitacyjne na swoje otoczenie, zakrzywiając strukturę czasoprzestrzeni w stopniu niespotykanym wśród innych struktur obserwowanych we wszechświecie. Siły te są tak duże, że ciągną wokół siebie strukturę czasoprzestrzeni, gdy czarna dziura się obraca, tworząc wyjątkowo turbulentne środowisko.

Tak dramatycznych efektów oczywiście nie można badać w laboratorium, dlatego badacze badają sposoby tworzenia struktur, które je naśladują. Na przykład grawitacja i dynamika płynów zachowują się nieco podobnie, jeśli lepkość płynu jest wyjątkowo niska, jak ma to miejsce w przypadku ciekłego helu (nadciekłego, co oznacza, że ​​płynie z niewielkim tarciem lub bez niego) i obłoków zimnych atomów.

Przepływy wirowe utworzone w blenderze kuchennym

W temperaturach bliskich zera (poniżej -271°C) ciekły hel zawiera maleńkie wirujące struktury zwane wirami kwantowymi. Zwykle te wiry pozostają od siebie oddzielone, wyjaśnia Patrika Svancary, fizyk w Uniwersytet w Nottingham, Wielka Brytania. Jednak w najnowszym badaniu Svancara, współlider zespołu Silke Weinfurtnera, a koledzy z Kings College London i Uniwersytet w Newcastle udało się zamknąć dziesiątki tysięcy tych kwantów w zwartym obiekcie przypominającym tornado.

„Centralną częścią naszego układu jest wirujące śmigło, które tworzy ciągłą pętlę krążącego nadciekłego helu, stabilizując wir utworzony nad nim” – wyjaśniają Weinfurtner i Svancara. Dodają, że inspiracją dla tej konfiguracji było badacze z Japonii, którzy również wytworzyli gigantyczne przepływy wirowe w urządzeniu przypominającym kuchenny blender, zamiast umieszczać całą aparaturę eksperymentalną na obrotowej platformie.

Od zwykłych płynów po nadciekły

Naukowcy rozpoczęli swoje eksperymenty od płynów rotacyjnych już w 2017 roku, kiedy zaobserwowali dynamikę fal naśladującą czarną dziurę w specjalnie zaprojektowanej „wannie” zawierającej prawie 2000 litrów wody. „To był przełomowy moment w zrozumieniu niektórych dziwacznych zjawisk, których zbadanie w inny sposób jest często trudne, jeśli nie niemożliwe” – mówi Weinfurtner, fizyk z Nottingham's Laboratorium Czarnej Dziury, gdzie wymyślono i rozwinięto eksperyment. „Teraz, dzięki naszemu bardziej wyrafinowanemu eksperymentowi, przenieśliśmy te badania na wyższy poziom, co ostatecznie może doprowadzić nas do przewidzenia, jak pola kwantowe zachowują się w zakrzywionych czasoprzestrzeniach wokół astrofizycznych czarnych dziur”.

Weinfurtner wyjaśnia, że ​​przejście od płynów klasycznych, takich jak woda, do płynów kwantowych, takich jak nadciekły hel, było niezbędne, ponieważ lepkość nadciekłego jest znacznie mniejsza. Nadciecze wykazują również unikalne właściwości kwantowo-mechaniczne, takie jak kwantyzacja siły wirów, co oznacza, że ​​każdy wir w nadciekłym helu musi składać się z elementarnych kwantów zwanych wirami kwantowymi. „Tworzenie dużych wirów, takich jak nasz, jest wyzwaniem, ponieważ poszczególne kwanty mają tendencję do oddalania się od siebie, jak wspomniał Patrik” – mówi Weinfurtner Świat Fizyki, „ale udało nam się ustabilizować przepływy wirowe, które mieszczą dziesiątki tysięcy kwantów w zwartym obszarze, [co] stanowi rekordową wartość w dziedzinie płynów kwantowych”.

Nowa struktura pomoże badaczom symulować dynamikę pola kwantowego w złożonych, wirujących, zakrzywionych czasoprzestrzeniach, takich jak czarne dziury, i będzie stanowić alternatywę dla dwuwymiarowych ultrazimnych systemów konwencjonalnie stosowanych do tej pory w tego typu badaniach – dodaje.

„Wykorzystanie zaawansowanych technik kontroli przepływu i metod wykrywania o wysokiej rozdzielczości do wykrywania dynamiki fal na powierzchni nadcieczy pozwoliło nam wyodrębnić makroskopowe struktury przepływu i wizualizować skomplikowane interakcje fala-wir” – mówi. „Te obserwacje ujawniły obecność mikroskopijnych stanów związanych i zjawisk dzwonienie przypominające czarną dziurę na swobodnej powierzchni gigantycznego wiru kwantowego, który obecnie badamy dalej.”

Naukowcy planują teraz zwiększyć dokładność swojej metody wykrywania i zbadać reżimy, w których kwantyzacja siły wirów staje się istotna. „Ta cecha może wpływać na sposób, w jaki czarne dziury oddziałują z otoczeniem, potencjalnie ucząc nas o fizyce czarnych dziur” – mówi Svancara.

Niniejsza praca jest szczegółowo opisana w: Natura.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/giant-quantum-tornado-behaves-like-a-black-hole-in-miniature/