Cơn lốc lượng tử khổng lồ hoạt động giống như một lỗ đen thu nhỏ – Thế Giới Vật Lý

Cơn lốc lượng tử khổng lồ hoạt động giống như một lỗ đen thu nhỏ – Thế Giới Vật Lý

Dấu thời gian: Ngày 12 tháng 2024 năm 4 00:XNUMX sáng


Ảnh chụp thiết lập thí nghiệm mà phòng thí nghiệm sử dụng trong nghiên cứu lỗ đen
Lỗ đen trong máy xay sinh tố: Thiết lập thử nghiệm mà các nhà nghiên cứu sử dụng để tạo ra dòng xoáy lượng tử khổng lồ, mô phỏng một số hành vi nhất định của lỗ đen. (Được phép: Leonardo Solidoro)

Một nền tảng thử nghiệm mới được gọi là xoáy lượng tử khổng lồ bắt chước một số hành vi nhất định của lỗ đen, mang đến cho các nhà khoa học cơ hội quan sát cận cảnh tính chất vật lý của các cấu trúc vật lý thiên văn này. Dòng xoáy xuất hiện trong helium siêu lỏng được làm lạnh đến nhiệt độ gần bằng 0 tuyệt đối, và theo đội tạo ra nó, các nghiên cứu về động lực học của nó có thể đưa ra những gợi ý về cách các lỗ đen vũ trụ tạo ra các không thời gian cong quay đặc trưng của chúng.

Các lỗ đen tác dụng lực hấp dẫn khổng lồ lên môi trường xung quanh chúng, làm cong kết cấu không thời gian đến một mức độ chưa từng có trong số các cấu trúc khác mà chúng ta quan sát được trong vũ trụ. Những lực này lớn đến mức chúng kéo theo kết cấu không thời gian xung quanh chúng khi lỗ đen quay, tạo ra những môi trường hỗn loạn đặc biệt.

Những hiệu ứng ấn tượng như vậy rõ ràng không thể nghiên cứu được trong phòng thí nghiệm, vì vậy các nhà nghiên cứu đang khám phá những cách tạo ra các cấu trúc bắt chước chúng. Ví dụ, trọng lực và động lực học chất lỏng hành xử tương tự nhau nếu độ nhớt của chất lỏng cực kỳ thấp, như trường hợp của helium lỏng (một chất siêu lỏng, nghĩa là nó chảy với ít hoặc không có ma sát) và các đám mây nguyên tử lạnh.

Dòng xoáy được tạo ra trong máy xay sinh tố nhà bếp

Ở nhiệt độ gần bằng 271 (dưới -XNUMX °C), helium lỏng chứa các cấu trúc xoáy cực nhỏ gọi là xoáy lượng tử. Thông thường, những xoáy này tách rời nhau, giải thích Patrik Svancara, một nhà vật lý tại Đại học Nottingham, Vương quốc Anh. Tuy nhiên, trong nghiên cứu mới nhất, Svancara, đồng trưởng nhóm Silke Weinfurtner, và các đồng nghiệp tại Cao đẳng King Luân Đôn và Đại học Newcastle đã cố gắng giam giữ hàng chục nghìn lượng tử này trong một vật thể nhỏ gọn giống như một cơn lốc xoáy.

Weinfurtner và Svancara giải thích: “Phần trung tâm trong thiết lập của chúng tôi là một cánh quạt quay để thiết lập một vòng tuần hoàn liên tục của helium siêu lỏng, ổn định dòng xoáy hình thành phía trên nó”. Họ nói thêm rằng cách thiết lập này được lấy cảm hứng từ các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản, những người cũng tạo ra dòng xoáy khổng lồ trong một thiết bị giống như máy xay sinh tố trong nhà bếp, thay vì đặt toàn bộ thiết bị thí nghiệm trên một bệ quay.

Hình ảnh xoáy lượng tử
Quay tròn: Một xoáy lượng tử hình thành trong helium siêu lỏng. (Được phép: Leonardo Solidoro)

Từ chất lỏng thông thường đến chất lỏng siêu lỏng

Các nhà nghiên cứu bắt đầu thí nghiệm của họ với chất lỏng quay trở lại năm 2017, khi họ quan sát động lực sóng bắt chước lỗ đen trong một “bồn tắm” được thiết kế đặc biệt chứa gần 2000 lít nước. Weinfurtner, một nhà vật lý tại Đại học Nottingham, cho biết: “Đây là một thời điểm đột phá để tìm hiểu một số hiện tượng kỳ lạ thường gây khó khăn, nếu không nói là không thể nghiên cứu theo cách khác”. Phòng thí nghiệm hố đen, nơi thí nghiệm được hình thành và phát triển. “Giờ đây, với thí nghiệm phức tạp hơn, chúng tôi đã đưa nghiên cứu này lên một tầm cao mới, điều này cuối cùng có thể giúp chúng tôi dự đoán cách các trường lượng tử hoạt động trong không thời gian cong xung quanh các lỗ đen vật lý thiên văn.”

Weinfurtner giải thích, việc chuyển từ chất lỏng cổ điển như nước sang chất lượng lượng tử như helium siêu lỏng là điều cần thiết vì độ nhớt của chất siêu lỏng nhỏ hơn nhiều. Các chất siêu lỏng cũng thể hiện những tính chất cơ lượng tử độc đáo như sự lượng tử hóa cường độ xoáy, nghĩa là bất kỳ xoáy nào trong helium siêu lỏng đều phải bao gồm các lượng tử cơ bản gọi là xoáy lượng tử. Weinfurtner nói: “Việc thiết lập các xoáy lớn như của chúng tôi là một thách thức vì các lượng tử riêng lẻ có xu hướng di chuyển xa nhau, như Patrik đã đề cập”. Thế giới vật lý, “nhưng chúng tôi có thể ổn định các dòng xoáy có thể chứa hàng chục nghìn lượng tử trong một vùng nhỏ gọn, [đó] là một giá trị phá kỷ lục trong lĩnh vực chất lỏng lượng tử.”

Cô cho biết thêm, cấu trúc mới này sẽ giúp các nhà nghiên cứu mô phỏng động lực trường lượng tử trong không-thời gian cong quay phức tạp, giống như lỗ đen, và đưa ra giải pháp thay thế cho các hệ cực lạnh hai chiều thường được sử dụng trong các nghiên cứu như vậy cho đến nay.

Cô cho biết: “Việc tận dụng các kỹ thuật kiểm soát dòng chảy tiên tiến và các phương pháp phát hiện có độ phân giải cao để phát hiện động lực học sóng trên bề mặt chất siêu lỏng đã cho phép chúng tôi trích xuất các cấu trúc dòng chảy vĩ mô và trực quan hóa các tương tác sóng-xoáy phức tạp”. “Những quan sát này đã tiết lộ sự hiện diện của các trạng thái liên kết vi mô và hiện tượng tiếng chuông như lỗ đen trên bề mặt tự do của một cơn lốc lượng tử khổng lồ mà chúng tôi hiện đang nghiên cứu sâu hơn.”

Các nhà nghiên cứu hiện có kế hoạch nâng cao độ chính xác của phương pháp phát hiện của họ và khám phá các chế độ trong đó việc lượng tử hóa cường độ xoáy trở nên quan trọng. Svancara nói: “Đặc điểm này có thể ảnh hưởng đến cách các lỗ đen tương tác với môi trường xung quanh chúng, có khả năng dạy chúng ta về tính chất vật lý của các lỗ đen”.

Công việc hiện tại được trình bày chi tiết trong Thiên nhiên.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý