Перший в історії “квантовий торнадо” дозволив вченим змоделювати чорні діри в лабораторії
Чорні діри – це об’єкти на межі наших фізичних теорій, тому чим краще ми їх розуміємо, тим краще ми можемо перевірити наші знання про всесвіт. І хоча астрофізичні чорні діри вивчаються багатьма способами, було б набагато простіше проаналізувати одну з них в лабораторії. На жаль, наявність такої діри в лабораторії призвела б до знищення цієї лабораторії і, можливо, планети, тому вчені знайшли наступну найкращу річ: вони створили симуляцію за допомогою квантового торнадо.
Коли гелій охолоджується лише до кількох градусів вище абсолютного нуля, він стає надплинною рідиною. У цьому стані вся рідина стає квантово-механічною. Вона тече без тертя – тобто не втрачає кінетичну енергію під час руху – і при перемішуванні надплинна рідина може утворювати вихори, які продовжують обертатися нескінченно довго.
“Надплинний гелій містить крихітні об’єкти, що називаються квантовими вихорами, які мають тенденцію поширюватися один від одного. У нашій установці нам вдалося обмежити десятки тисяч цих квантів у компактному об’єкті, що нагадує невеликий торнадо, досягнувши вихрового потоку з рекордною силою в області квантових рідин”, – сказав провідний автор статті, доктор Патрік Сванчара зі Школи математичних наук Ноттінгемського університету.
Чорні діри моделювали в лабораторії за допомогою води та звукових хвиль, але використання надплинного гелію дозволяє їм бути ближчими до реальності – і це завдяки тому, що він не має тертя. Це більш реалістичний спосіб моделювання простору-часу і чорних дір.
“Використання надплинного гелію дозволило нам вивчати крихітні поверхневі хвилі більш детально і точно, ніж у наших попередніх експериментах у воді. Оскільки в’язкість надплинного гелію надзвичайно мала, ми змогли ретельно дослідити їхню взаємодію з надплинним торнадо і порівняти отримані результати з нашими власними теоретичними прогнозами”, – додав д-р Сванчара.
Робота тривала багато років. Останні результати показують, як дослідники змогли побачити взаємодію, аналогічну тій, яка, як очікується, існує навколо чорних дір. І вони вважають, що цей підхід може допомогти вивчити, як квантові поля поводяться в обертовому і викривленому просторі-часі.
“Коли ми вперше спостерігали чіткі ознаки фізики чорних дір в нашому початковому аналоговому експерименті в 2017 році, це був проривний момент для розуміння деяких химерних явищ, які часто складно, якщо не неможливо, вивчити іншим способом”, – додала автор-кореспондент професор Сільке Вайнфуртнер, яка керує роботою в Лабораторії чорних дір, де був розроблений цей експеримент.
“Тепер, завдяки нашому більш складному експерименту, ми підняли це дослідження на новий рівень, що в кінцевому підсумку може привести нас до передбачення того, як квантові поля поводяться у викривленому просторі-часі навколо астрофізичних чорних дір”.
