Первый в своем роде «Квантовый торнадо» достиг рекордной имитации черной дыры
Сверхтекучий вихрь, контролируемый в лаборатории, помогает физикам узнать больше о поведении черных дыр.
Водоворот, образующийся в гелии, охлажденном лишь до доли выше абсолютного нуля, имитирует гравитационную среду этих объектов, настолько высокая точность, что она дает беспрецедентное понимание того, как они тянут и искажают пространство-время вокруг себя.
«Использование сверхтекучего гелия позволило нам изучать крошечные поверхностные волны более детально и точно, чем в наших предыдущих экспериментах. в воде», — объясняет физик Патрик Шванчара из Ноттингемского университета в Великобритании, который руководил исследованием.
«Поскольку вязкость сверхтекучего гелия чрезвычайно мала, мы смогли тщательно изучить его взаимодействие с сверхтекучий торнадо и сравним полученные результаты с нашими собственными теоретическими прогнозами».
Черные дыры, пожалуй, самые странные и самые экстремальные объекты во всей Вселенной, состоящие из очень странных вещей. Их также очень трудно изучать. Они не излучают никакого излучения, которое мы можем обнаружить; мы можем видеть только свет из пространства непосредственно вокруг них. Но у нас есть несколько очень хороших теоретических исследований, которые могут довольно точно описать их наблюдаемое поведение.
Один из способов узнать о них больше — создать аналоги черных дыр. Это эксперименты, которые могут воссоздать теорию черных дыр и пролить свет на другие аспекты их поведения. Одним из типов аналога черной дыры является вихрь или водоворот.
Любой материал, который приближается достаточно близко к черной дыре, начинает кружиться вокруг нее, а затем падать на нее, как вода кружится и журчит в канализацию.
Это сравнение настолько удачно, что ученые даже построили водные вихри для изучения поведения черных дыр. Однако Шванчара и его коллеги хотели пойти еще дальше – с помощью сверхтекучего гелия.
Это изотоп гелия – гелий-4 – охлажденный до -271 градуса по Цельсию (-456 по Фаренгейту). ), чуть выше абсолютного нуля. При такой чрезвычайно низкой температуре бозоны в гелии-4 замедляются настолько, что перекрываются и ведут себя как один суператом – жидкость с нулевой вязкостью или сверхтекучесть.
Команда использовала необычные квантовые свойства сверхтекучего гелия-4 для создания своего рода «квантового торнадо».
«Сверхтекучий гелий содержит крошечные объекты называемые квантовыми вихрями, которые имеют тенденцию распространяться друг от друга», — говорит Шванчара. «В нашей установке нам удалось удержать десятки тысяч этих квантов в компактном объекте, напоминающем небольшой торнадо, добившись вихревого потока с рекордной силой в области квантовых жидкостей».
Изучая этот торнадо, исследователи смогли выявить сходство между вихревым потоком и влиянием вращающейся черной дыры на искривленное пространство-время вокруг нее. В частности, исследователи наблюдали стоячие волны, аналогичные связанным состояниям черной дыры, и возбуждения, аналогичные звону вновь образовавшейся черной дыры.
И это только начало. Теперь, когда исследователи продемонстрировали, что их эксперимент работает так, как они планировали, вихрь готов открыть новую область науки о черных дырах.
«Когда мы впервые наблюдали явные признаки физики черных дыр в нашей первоначальной работе, Аналоговый эксперимент, проведенный еще в 2017 году, стал прорывным моментом для понимания некоторых причудливых явлений, которые зачастую сложно, а то и невозможно изучить иначе», — говорит физик Силке Вайнфуртнер из Ноттингемского университета.
» Теперь, с помощью нашего более сложного эксперимента, мы вывели это исследование на новый уровень, что в конечном итоге может привести нас к предсказанию того, как ведут себя квантовые поля в искривленном пространстве-времени вокруг астрофизических черных дыр».
Результат опубликован в природе.
