Сочетание вихрей в сверхтекучей жидкости поразительно напоминает черную дыру.
Черные дыры — это объекты на границах наших физических теорий, поэтому чем лучше мы их понимаем, тем лучше мы можем проверить наши знания о Вселенной. И хотя астрофизические черные дыры изучаются множеством способов, было бы намного проще анализировать одну из них в лаборатории. К сожалению, наличие настоящей черной дыры в лаборатории привело бы к разрушению самой лаборатории и, вероятно, всей планеты, поэтому ученые нашли следующее лучшее решение: они создали симуляцию с помощью квантового торнадо.
Когда гелий охлаждается всего до нескольких градусов выше абсолютного нуля, он становится сверхтекучим. В этом состоянии вся жидкость становится квантово-механической. Она течет без трения — так что она не теряет кинетическую энергию при движении — и когда ее взбалтывают, сверхтекучая жидкость может образовывать вихри, которые продолжают вращаться бесконечно.
«Сверхтекучий гелий содержит крошечные объекты, называемые квантовыми вихрями, которые стремятся распространяться друг от друга. В нашей установке нам удалось сконцентрировать десятки тысяч этих квантов в компактном объекте, напоминающем небольшой торнадо, достигнув рекордно сильного вихревого потока в области квантовых жидкостей», — сказал ведущий автор статьи, доктор Патрик Сванкара из Школы математических наук Ноттингемского университета (Великобритания).
Черные дыры ранее моделировались в лаборатории с помощью воды и звуковых волн, но использование сверхтекучего гелия позволяет приблизиться к реальности благодаря отсутствию трения. Это более реалистичный способ симуляции пространства-времени и черных дыр.
«Использование сверхтекучего гелия позволило нам изучить крошечные поверхностные волны с большей детализацией и точностью, чем в наших предыдущих экспериментах с водой. Поскольку вязкость сверхтекучего гелия чрезвычайно мала, мы смогли тщательно исследовать их взаимодействие со сверхтекучим торнадо и сравнить результаты с нашими собственными теоретическими прогнозами», — добавил д-р Сванкара.
Над этой работой ученые трудились многие годы. Последние результаты показывают, как исследователям удалось увидеть взаимодействия, аналогичные тем, которые, как ожидается, существуют вокруг черных дыр. И они считают, что такой подход может помочь изучить, как квантовые поля ведут себя во вращающемся и искривленном пространстве-времени.
«Когда мы впервые обнаружили четкие признаки физики черных дыр в нашем первоначальном аналоговом эксперименте в 2017 году, это был прорывной момент для понимания некоторых странных явлений, которые часто трудно, если вообще возможно, изучать иначе», — добавила соавтор профессор Зильке Вайнфуртнер, которая руководит работой в Лаборатории черных дыр, где был разработан этот эксперимент.
«Теперь, с нашим более совершенным экспериментом, мы вывели это исследование на новый уровень, что в конечном итоге может позволить нам предсказать, как квантовые поля ведут себя в искривленных пространствах-временах вокруг астрофизических черных дыр».
Исследование опубликовано в журнале Nature .
Читайте также: Черная дыра в центре Млечного Пути начала пожирать материю вокруг себя совсем недавно
