Гігантський квантовий торнадо поводиться як чорна діра в мініатюрі – Physics World

Нова експериментальна платформа, відома як гігантський квантовий вихор, імітує певну поведінку чорних дір, даючи вченим можливість спостерігати за фізикою цих астрофізичних структур зблизька. Вихор з’являється в надплинному гелії, охолодженому до температур, близьких до абсолютного нуля, і, як стверджує команда, яка його створила, дослідження його динаміки можуть дати підказки щодо того, як космологічні чорні діри створюють свій характерний обертовий викривлений простір-час.

Чорні діри діють на навколишнє середовище величезною гравітаційною силою, викривляючи тканину простору-часу до такого ступеня, що є безпрецедентним серед інших структур, які ми спостерігаємо у Всесвіті. Ці сили настільки великі, що вони перетягують тканину простору-часу навколо себе, коли чорна діра обертається, створюючи унікальне турбулентне середовище.

Очевидно, що такі драматичні ефекти неможливо вивчити в лабораторії, тому дослідники шукають способи створення структур, які їх імітують. Наприклад, гравітація та динаміка рідини поводяться приблизно так само, якщо в’язкість рідини надзвичайно низька, як у випадку рідкого гелію (надтекучого, що означає, що він тече з невеликим тертям або без нього) і хмар холодних атомів.

Вихрові потоки, створені в кухонному блендері

При температурах, близьких до нуля (менше -271 °C), рідкий гелій містить крихітні закручені структури, відомі як квантові вихори. Зазвичай ці вихори залишаються окремо, пояснює Патрік Сванкара, фізик в Ноттингемський університет, Великобританія. Однак в останньому дослідженні Сванкара, один з лідерів групи Сілке Вайнфуртнер, та колеги в Королівський коледж Лондона та Університет Ньюкасла вдалося обмежити десятки тисяч цих квантів у компактному об’єкті, що нагадує торнадо.

«Центральною частиною нашої установки є обертовий пропелер, який створює безперервну циркулюючу петлю надплинного гелію, стабілізуючи вихор, що утворюється над ним», — пояснюють Вайнфуртнер і Сванкара. Вони додають, що ця установка була надихнута дослідники з Японії, які також створили гігантські вихрові потоки в пристрої, що нагадує кухонний блендер, а не шляхом розміщення всього експериментального апарату на обертовій платформі.

Від звичайних рідин до надплинних

Дослідники почали свої експерименти з обертові рідини ще в 2017 році, коли вони спостерігали динаміку хвиль, що імітує чорну діру, у спеціально сконструйованій «ванні», що містить майже 2000 літрів води. «Це був проривний момент для розуміння деяких дивних явищ, які часто складно, якщо не неможливо, вивчити інакше», — каже Вайнфуртнер, фізик з Ноттінгемського університету. Лабораторія чорних дір, де був задуманий і розроблений експеримент. «Тепер, за допомогою нашого більш складного експерименту, ми вивели це дослідження на наступний рівень, який зрештою може привести нас до передбачення того, як квантові поля поводяться в викривленому просторі-часі навколо астрофізичних чорних дір».

Вайнфуртнер пояснює, що перехід від класичних рідин, таких як вода, до квантових, таких як надплинний гелій, був важливий, оскільки в’язкість надплинної рідини набагато менша. Надплинні рідини також демонструють унікальні квантово-механічні властивості, такі як квантування сили вихору, тобто будь-який вихор у надплинному гелії має складатися з елементарних квантів, які називаються квантовими вихорами. «Встановлення таких великих вихорів, як наш, є складною справою, оскільки окремі кванти мають тенденцію віддалятися один від одного, як згадував Патрік», — розповідає Вайнфуртнер. Світ фізики, «але ми змогли стабілізувати вихрові потоки, які вміщують десятки тисяч квантів у компактній області, [що] є рекордним значенням у сфері квантових рідин».

Нова структура допоможе дослідникам симулювати динаміку квантового поля в складних обертових викривлених просторах-часах, таких як чорні діри, і запропонує альтернативу двовимірним ультрахолодним системам, які зазвичай використовуються в таких дослідженнях досі, додає вона.

«Використання передових методів керування потоком і методів виявлення з високою роздільною здатністю для виявлення динаміки хвилі на поверхні надтекучої рідини дозволило нам виділити макроскопічні структури потоку та візуалізувати складну взаємодію хвилі та вихру», — каже вона. «Ці спостереження виявили наявність мікроскопічних зв’язаних станів і явищ дзвін, схожий на чорну діру на вільній поверхні гігантського квантового вихору, який ми зараз досліджуємо далі».

Тепер дослідники планують підвищити точність свого методу виявлення та дослідити режими, в яких квантування сили вихору стає важливим. «Ця особливість може вплинути на те, як чорні діри взаємодіють з навколишнім середовищем, потенційно навчаючи нас фізиці чорних дір», — говорить Сванкара.

Дана робота детально описана в природа.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/giant-quantum-tornado-behaves-like-a-black-hole-in-miniature/