Гигантские вихри в миниатюре: как ученые имитируют черные дыры

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

В мире, где наука стремится к пониманию самых загадочных явлений Вселенной, новое исследование проливает свет на одну из самых таинственных структур космоса — черные дыры. Ученые из Университета Ноттингема, совместно с коллегами из Королевского колледжа Лондона и Университета Ньюкасла, совершили прорыв, создав гигантский квантовый вихрь в сверхтекучем гелии, который имитирует условия, окружающие черные дыры.

Этот эксперимент не просто научное достижение; он является мостом между абстрактными теориями и физической реальностью. Созданный квантовый торнадо — это не что иное, как вихрь, вращающийся в сверхтекучем гелии, охлажденном до предельно низких температур. Это явление позволяет наблюдать за волновыми динамиками на поверхности жидкости, которые, как выяснилось, ведут себя аналогично гравитационным условиям вблизи вращающихся черных дыр.

Доктор Патрик Сванчара, ведущий автор исследования, подчеркивает значимость использования сверхтекучего гелия для изучения поверхностных волн. Благодаря его крайне низкой вязкости, ученые смогли с высокой точностью исследовать взаимодействие волн с квантовым вихрем, что дало возможность сравнить экспериментальные данные с теоретическими прогнозами.

(a), На низких частотах пропеллера (в данном случае 1 Гц) граница раздела демонстрирует различимую впадину, а ядро вихря под ней принимает форму компактного поляризованного скопления одиночно квантованных вихрей (называемого твердым ядром). (b), С повышением частоты (здесь до 2 Гц) появляется полностью сформированное полое ядро, ведущее себя как многократно квантованный объект. Темные вертикальные полосы на заднем плане создают контраст с изображением интерфейса. Упрощенный набросок этого интерфейса (белые линии) помогает идентифицировать эти режимы на более поздних рисунках. Масштабная линейка, 10 мм.
Автор: Švančara, P., Smaniotto, P., Solidoro, L. et al. Rotating curved spacetime signatures from a giant quantum vortex. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07176-8 Источник: www.nature.com

Специально разработанная криогенная система, способная поддерживать несколько литров сверхтекучего гелия при температурах ниже -271°C, стала ключом к созданию этого уникального квантового состояния. В таких условиях жидкий гелий обретает необычные квантовые свойства, которые в других условиях препятствовали бы формированию подобных вихрей.

Исследование открывает новые горизонты для моделирования квантовых полевых теорий в сложных условиях искривленного пространства-времени, приближая нас к пониманию поведения квантовых полей вокруг астрофизических черных дыр. Профессор Сильке Вайнфуртнер, руководитель эксперимента, делится восторгом от результатов, которые не только подтверждают предыдущие наблюдения физики черных дыр, но и открывают путь к новым открытиям.

Завершение этого исследования будет отмечено на выставке «Космические Титаны», которая пройдет в галерее Джаногли, Lakeside Arts, Университета Ноттингема. Выставка представит работы художников, вдохновленных сотрудничеством с учеными, и станет местом встречи искусства и науки, отражая творческий и теоретический взгляд на черные дыры и зарождение нашей Вселенной.