Квантовый торнадо открывает путь к пониманию черных дыр

Ученые впервые создали гигантский квантовый вихрь, имитирующий черную дыру в сверхтекучем гелии, что позволило им более детально увидеть, как аналоговые черные дыры ведут себя и взаимодействуют с окружающей средой.

Исследования, проведенные Ноттингемским университетом в сотрудничестве с Королевским колледжем Лондона и Университетом Ньюкасла, создали новую экспериментальную платформу: квантовый торнадо. Они создали гигантский закрученный вихрь внутри сверхтекучего гелия, охлажденного до минимально возможных температур.

Путем наблюдения за динамикой мельчайших волн на поверхности сверхтекучей исследовательская группа показала, что эти квантовые торнадо имитируют гравитационные условия вблизи вращающихся черных дыр. Исследование опубликовано в Природа.

Ведущий автор статьи, доктор Патрик Сванкара из Школы математических наук Ноттингемского университета, объясняет: «Использование сверхтекучего гелия позволило нам изучать крошечные поверхностные волны более детально и точно, чем в наших предыдущих экспериментах с водой. вязкость сверхтекучего гелия чрезвычайно мала, мы смогли тщательно исследовать их взаимодействие со сверхтекучим торнадо и сравнить полученные результаты с нашими собственными теоретическими прогнозами».

Команда создала специальную криогенную систему, способную содержать несколько литров сверхтекучего гелия при температуре ниже -271°C. При этой температуре жидкий гелий приобретает необычные квантовые свойства. Эти свойства обычно препятствуют образованию гигантских вихрей в других квантовых жидкостях, таких как ультрахолодные атомные газы или квантовые жидкости света. Эта система демонстрирует, как граница раздела сверхтекучего гелия действует как стабилизирующая сила для этих объектов.

Доктор Сванкара продолжает: «Сверхтекучий гелий содержит крошечные объекты, называемые квантовыми вихрями, которые имеют тенденцию распространяться друг от друга. В нашей установке нам удалось удержать десятки тысяч этих квантов в компактном объекте, напоминающем небольшой торнадо. , достигнув вихревого потока с рекордной силой в области квантовых жидкостей».

Исследователи обнаружили интригующие параллели между вихревым потоком и гравитационным влиянием черных дыр на окружающее пространство-время. Это достижение открывает новые возможности для моделирования квантовых теорий поля с конечной температурой в сложной сфере искривленного пространства-времени.

Профессор Силке Вайнфуртнер, возглавляющий работу в Лаборатории черных дыр, где был разработан этот эксперимент, говорит: «Когда мы впервые наблюдали четкие признаки физики черных дыр в нашем первоначальном аналоговом эксперименте еще в 2017 году, это был момент прорыва для понимания некоторых из причудливые явления, которые зачастую сложно, а то и невозможно изучить иначе.

«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».

Кульминация этого исследования будет отмечена и творчески исследована на амбициозной выставке под названием «Космические титаны» в галерее Джаногли, Lakeside Arts, Ноттингемский университет, с 25 января по 27 апреля 2025 года (а также гастролями по площадкам в Великобритании и за рубежом). ).

На выставке будут представлены недавно заказанные скульптуры, инсталляции и иммерсивные произведения ведущих художников, в том числе Конрада Шокросса Р.А., созданные в результате серии инновационного сотрудничества между художниками и учеными при поддержке ARTlab Nottingham. Выставка объединит творческие и теоретические исследования черных дыр и рождения нашей Вселенной.