พายุทอร์นาโดควอนตัมขนาดยักษ์มีพฤติกรรมเหมือนหลุมดำขนาดจิ๋ว - โลกฟิสิกส์

แพลตฟอร์มการทดลองใหม่ที่เรียกว่ากระแสน้ำวนควอนตัมขนาดยักษ์เลียนแบบพฤติกรรมบางอย่างของหลุมดำ ทำให้นักวิทยาศาสตร์มีโอกาสสังเกตฟิสิกส์ของโครงสร้างทางดาราศาสตร์เหล่านี้อย่างใกล้ชิด กระแสน้ำวนปรากฏในฮีเลียมซุปเปอร์ฟลูอิดซึ่งเย็นลงจนถึงอุณหภูมิใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ และทีมงานผู้สร้างมันระบุว่า การศึกษาพลวัตของมันอาจบอกเป็นนัยว่าหลุมดำในจักรวาลวิทยาสร้างลักษณะเฉพาะของกาลอวกาศโค้งที่หมุนได้อย่างไร

หลุมดำออกแรงโน้มถ่วงมหาศาลต่อสิ่งแวดล้อม ส่งผลให้โครงสร้างของกาลอวกาศโค้งงอในระดับที่ไม่เคยมีมาก่อนในบรรดาโครงสร้างอื่นๆ ที่เราสังเกตเห็นในจักรวาล พลังเหล่านี้มีขนาดใหญ่มากจนลากโครงสร้างกาลอวกาศไปรอบๆ ขณะที่หลุมดำหมุน ทำให้เกิดสภาพแวดล้อมปั่นป่วนที่ไม่เหมือนใคร

เห็นได้ชัดว่าผลกระทบอันน่าทึ่งดังกล่าวไม่สามารถศึกษาได้ในห้องปฏิบัติการ ดังนั้นนักวิจัยจึงกำลังสำรวจวิธีการสร้างโครงสร้างที่เลียนแบบพวกมัน ตัวอย่างเช่น แรงโน้มถ่วงและพลศาสตร์ของไหลมีพฤติกรรมค่อนข้างคล้ายกันหากความหนืดของของไหลต่ำมาก เช่นในกรณีของฮีเลียมเหลว (ของเหลวยิ่งยวด หมายความว่ามันไหลโดยมีแรงเสียดทานเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย) และเมฆอะตอมเย็น

กระแสน้ำวนที่สร้างขึ้นในเครื่องปั่นในครัว

ที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์ (น้อยกว่า -271 °C) ฮีเลียมเหลวประกอบด้วยโครงสร้างหมุนวนเล็กๆ ที่เรียกว่ากระแสน้ำวนควอนตัม โดยปกติแล้วกระแสน้ำวนเหล่านี้จะแยกออกจากกัน อธิบาย แพทริค สวันคารา, นักฟิสิกส์ที่ มหาวิทยาลัยนอตติงแฮม, สหราชอาณาจักร อย่างไรก็ตามในการศึกษาล่าสุด สวานการา ผู้นำทีมร่วม ซิลเก้ ไวน์เฟิร์ตเนอร์และเพื่อนร่วมงานที่ คิงส์คอลเลจลอนดอน และ มหาวิทยาลัยนิวคาสเซิล สามารถกักควอนตัมนับหมื่นไว้ในวัตถุขนาดเล็กที่มีลักษณะคล้ายพายุทอร์นาโด

“ส่วนกลางของการตั้งค่าของเราคือใบพัดหมุนที่สร้างวงหมุนเวียนของฮีเลียมซุปเปอร์ฟลูอิดอย่างต่อเนื่อง เพื่อรักษาเสถียรภาพของกระแสน้ำวนที่เกิดขึ้นเหนือมัน” Weinfurtner และ Svancara อธิบาย พวกเขาเสริมว่าการตั้งค่านี้ได้รับแรงบันดาลใจจาก นักวิจัยในญี่ปุ่นซึ่งผลิตกระแสน้ำวนขนาดยักษ์เช่นเดียวกัน ในอุปกรณ์ที่มีลักษณะคล้ายเครื่องปั่นในครัว แทนที่จะวางอุปกรณ์ทดลองทั้งหมดไว้บนแท่นหมุน

จากของเหลวธรรมดาไปจนถึงของเหลวยิ่งยวด

ผู้วิจัยได้เริ่มทำการทดลองกับ ของเหลวหมุนเวียนย้อนกลับไปในปี 2017เมื่อพวกเขาสังเกตเห็นพลวัตของคลื่นเลียนแบบหลุมดำใน "อ่างอาบน้ำ" ที่ออกแบบเป็นพิเศษซึ่งมีน้ำเกือบ 2000 ลิตร “นี่เป็นช่วงเวลาแห่งความก้าวหน้าในการทำความเข้าใจปรากฏการณ์แปลกประหลาดบางอย่างที่มักท้าทายหรือเป็นไปไม่ได้ในการศึกษาอย่างอื่น” Weinfurtner นักฟิสิกส์จาก Nottingham's กล่าว ห้องปฏิบัติการหลุมดำซึ่งเป็นที่ที่การทดลองเกิดขึ้นและพัฒนา “ขณะนี้ ด้วยการทดลองที่ซับซ้อนมากขึ้น เราได้ยกระดับการวิจัยนี้ขึ้นไปอีกขั้น ซึ่งในที่สุดอาจทำให้เราสามารถคาดการณ์ว่าสนามควอนตัมมีพฤติกรรมอย่างไรในช่วงเวลาอวกาศโค้งรอบหลุมดำทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์”

การเปลี่ยนจากของเหลวคลาสสิกเช่นน้ำไปเป็นควอนตัมเช่นฮีเลียมซุปเปอร์ฟลูอิดถือเป็นสิ่งสำคัญ Weinfurtner อธิบาย เนื่องจากความหนืดของของเหลวยิ่งยวดนั้นน้อยกว่ามาก ซุปเปอร์ฟลูอิดยังแสดงคุณสมบัติทางกลควอนตัมที่เป็นเอกลักษณ์ เช่น การหาปริมาณความแรงของกระแสน้ำวน ซึ่งหมายความว่ากระแสน้ำวนใดๆ ในฮีเลียมซุปเปอร์ฟลูอิดจะต้องประกอบด้วยควอนตัมเบื้องต้นที่เรียกว่ากระแสน้ำวนควอนตัม “การสร้างกระแสน้ำวนขนาดใหญ่เช่นเรานั้นเป็นเรื่องที่ท้าทาย เนื่องจากควอนตัมแต่ละตัวมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนตัวออกจากกัน ดังที่ Patrik กล่าวไว้” Weinfurtner กล่าว โลกฟิสิกส์“แต่เราสามารถรักษาเสถียรภาพของกระแสน้ำวนที่รองรับควอนตัมนับหมื่นในพื้นที่ขนาดเล็กได้ [ซึ่ง] เป็นมูลค่าที่ทำลายสถิติในขอบเขตของของเหลวควอนตัม”

โครงสร้างใหม่นี้จะช่วยให้นักวิจัยจำลองพลวัตของสนามควอนตัมภายในกาลอวกาศโค้งที่หมุนอย่างซับซ้อน เช่น หลุมดำ และเสนอทางเลือกแทนระบบเย็นพิเศษสองมิติที่ใช้กันโดยทั่วไปในการศึกษาดังกล่าวจนถึงปัจจุบัน เธอกล่าวเสริม

"การใช้ประโยชน์จากเทคนิคการควบคุมการไหลขั้นสูงและวิธีการตรวจจับที่มีความละเอียดสูงเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของคลื่นบนพื้นผิวของของเหลวยิ่งยวดช่วยให้เราสามารถแยกโครงสร้างการไหลในระดับมหภาคและเห็นภาพปฏิกิริยาระหว่างคลื่นกับกระแสน้ำวนที่ซับซ้อนได้" เธอกล่าว “การสังเกตเหล่านี้ได้เผยให้เห็นการมีอยู่ของสถานะและปรากฏการณ์ที่ขอบเขตจำกัดด้วยกล้องจุลทรรศน์ เสียงเรียกเข้าเหมือนหลุมดำ บนพื้นผิวอิสระของกระแสน้ำวนควอนตัมขนาดยักษ์ ซึ่งเรากำลังตรวจสอบเพิ่มเติมอยู่ในขณะนี้”

ขณะนี้นักวิจัยวางแผนที่จะเพิ่มความแม่นยำของวิธีการตรวจจับและสำรวจระบอบการปกครองที่การหาปริมาณของความแรงของกระแสน้ำวนมีความสำคัญ “คุณลักษณะนี้อาจมีอิทธิพลต่อวิธีที่หลุมดำมีปฏิกิริยาต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งอาจสอนเราเกี่ยวกับฟิสิกส์ของหลุมดำ” Svancara กล่าว

ผลงานปัจจุบันมีรายละเอียดใน ธรรมชาติ.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/giant-quantum-tornado-behaves-like-a-black-hole-in-miniature/