Гигантский квантовый торнадо ведет себя как черная дыра в миниатюре

Новая экспериментальная платформа, известная как гигантский квантовый вихрь, имитирует определенное поведение черных дыр, давая ученым возможность вблизи наблюдать за физикой этих астрофизических структур. Вихрь появляется в сверхтекучем гелии, охлажденном до температуры, близкой к абсолютному нулю, и, по мнению создавшей его команды, исследования его динамики могут дать намек на то, как космологические черные дыры создают характерное вращающееся искривленное пространство-время.

Черные дыры оказывают огромное гравитационное воздействие на свое окружение, искривляя ткань пространства-времени до такой степени, которая беспрецедентна среди других структур, которые мы наблюдаем во Вселенной. Эти силы настолько велики, что они тянут вокруг себя ткань пространства-времени по мере вращения черной дыры, создавая уникальную турбулентную среду.

Такие драматические эффекты, очевидно, невозможно изучить в лаборатории, поэтому исследователи изучают способы создания структур, имитирующих их. Например, гравитация и гидродинамика ведут себя примерно одинаково, если вязкость жидкости чрезвычайно низка, как в случае с жидким гелием (сверхтекучим, то есть он течет с небольшим трением или вообще без него) и облаками холодных атомов.

Вихревые потоки, созданные в кухонном блендере

При температурах, близких к нулю (менее -271 °C), жидкий гелий содержит крошечные закрученные структуры, известные как квантовые вихри. Обычно эти вихри держатся отдельно, объясняет Патрик Сванкара, физик из Ноттингемский университет, ВЕЛИКОБРИТАНИЯ. Однако в последнем исследовании Сванкара, руководитель группы Силке Вайнфуртнери коллеги из Королевский колледж в Лондоне и Университет Ньюкасла удалось удержать десятки тысяч этих квантов в компактном объекте, напоминающем торнадо.

«Центральная часть нашей установки — это вращающийся пропеллер, который создает непрерывную циркуляционную петлю сверхтекучего гелия, стабилизируя вихрь, образовавшийся над ним», — объясняют Вайнфуртнер и Сванкара. Они добавляют, что эта установка была вдохновлена исследователи из Японии, которые также создали гигантские вихревые потоки в устройстве, напоминающем кухонный блендер, а не размещая весь экспериментальный аппарат на вращающейся платформе.

От обычных жидкостей к сверхтекучим

Исследователи начали свои эксперименты с вращающиеся жидкости еще в 2017 году, когда они наблюдали волновую динамику, имитирующую черную дыру, в специально сконструированной «ванне», содержащей почти 2000 литров воды. «Это был прорывной момент для понимания некоторых причудливых явлений, которые зачастую сложно, а то и невозможно изучить иначе», — говорит Вайнфуртнер, физик из Ноттингемского университета. Лаборатория черных дыр, где был задуман и разработан эксперимент. «Теперь, благодаря нашему более сложному эксперименту, мы вывели это исследование на новый уровень, что в конечном итоге может привести нас к предсказанию того, как квантовые поля ведут себя в искривленном пространстве-времени вокруг астрофизических черных дыр».

Переход от классических жидкостей, таких как вода, к квантовым, таким как сверхтекучий гелий, был необходим, объясняет Вайнфуртнер, потому что вязкость сверхтекучей жидкости намного меньше. Сверхтекучие жидкости также обладают уникальными квантово-механическими свойствами, такими как квантование силы вихря. Это означает, что любой вихрь в сверхтекучем гелии должен состоять из элементарных квантов, называемых квантовыми вихрями. «Создание таких больших вихрей, как наш, является сложной задачей, поскольку, как упомянул Патрик, отдельные кванты имеют тенденцию отдаляться друг от друга», — говорит Вайнфуртнер. Мир физики, «но мы смогли стабилизировать вихревые потоки, которые вмещают десятки тысяч квантов в компактной области, [что] является рекордным значением в области квантовых жидкостей».

Новая структура поможет исследователям моделировать динамику квантового поля в сложных вращающихся искривленных пространствах-временях, таких как черные дыры, и предложит альтернативу двумерным ультрахолодным системам, традиционно используемым в таких исследованиях до сих пор, добавляет она.

«Использование передовых методов управления потоком и методов обнаружения с высоким разрешением для обнаружения динамики волн на поверхности сверхтекучей жидкости позволило нам извлечь макроскопические структуры потока и визуализировать сложные взаимодействия волн и вихрей», — говорит она. «Эти наблюдения выявили наличие микроскопических связанных состояний и явлений звон, похожий на черную дыру на свободной поверхности гигантского квантового вихря, который мы сейчас исследуем дальше».

Теперь исследователи планируют повысить точность своего метода обнаружения и изучить режимы, в которых квантование силы вихрей становится важным. «Эта особенность может повлиять на то, как черные дыры взаимодействуют с окружающей средой, потенциально научив нас физике черных дыр», — говорит Сванкара.

Настоящая работа подробно описана в природа.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/giant-quantum-tornado-behaves-like-a-black-hole-in-miniature/