Uusi kokeellinen alusta, joka tunnetaan jättimäisenä kvanttipyörteenä, jäljittelee tiettyjä mustien aukkojen käyttäytymismalleja ja antaa tutkijoille mahdollisuuden tarkkailla näiden astrofysikaalisten rakenteiden fysiikkaa läheltä. Pyörre esiintyy supernesteisessä heliumissa, joka on jäähdytetty lähes absoluuttisen nollan lämpötiloihin, ja sen tehneen ryhmän mukaan sen dynamiikkaa koskevat tutkimukset voivat tarjota vihjeitä siitä, kuinka kosmologiset mustat aukot tuottavat tyypillisiä pyöriviä kaarevia avaruusaikoja.

Mustat aukot kohdistavat ympäristöönsä valtavia gravitaatiovoimia ja kaarevat aika-avaruuden kudosta siinä määrin, että se on ennennäkemätön muiden universumissa havaitsemiemme rakenteiden joukossa. Nämä voimat ovat niin suuria, että ne vetävät aika-avaruuden kudosta ympärillään mustan aukon pyöriessä luoden ainutlaatuisen turbulentteja ympäristöjä.

Tällaisia ​​dramaattisia vaikutuksia ei tietenkään voida tutkia laboratoriossa, joten tutkijat tutkivat tapoja tehdä niitä jäljitteleviä rakenteita. Esimerkiksi painovoima ja nesteen dynamiikka käyttäytyvät jonkin verran samalla tavalla, jos nesteen viskositeetti on erittäin alhainen, kuten nestemäisen heliumin (supernesteen, mikä tarkoittaa, että se virtaa vähän tai ei lainkaan kitkaa) ja kylmien atomipilvien tapauksessa.

Vortex virtaa keittiön tehosekoittimessa

Lähes nollalämpötiloissa (alle -271 °C) nestemäinen helium sisältää pieniä pyörteisiä rakenteita, jotka tunnetaan kvanttipyörteinä. Normaalisti nämä pyörteet pysyvät erillään, selittää Patrik Svancara, fyysikko yrityksessä University of Nottingham, Iso-Britannia. Uusimmassa tutkimuksessa kuitenkin Svancara, yhteistyöryhmän johtaja Silke Weinfurtnerja kollegat osoitteessa King's College London ja Newcastlen yliopisto onnistui rajoittamaan kymmeniä tuhansia näitä kvantteja kompaktiin esineeseen, joka muistuttaa tornadoa.

"Järjestelmämme keskeinen osa on pyörivä potkuri, joka muodostaa jatkuvan kiertävän supernesteisen heliumin silmukan ja stabiloi sen yläpuolelle muodostuneen pyörteen", Weinfurtner ja Svancara selittävät. He lisäävät, että tämä järjestely on saanut inspiraationsa tutkijat Japanissa, jotka myös tuottivat jättimäisiä pyörteitä laitteessa, joka muistuttaa keittiön tehosekoitinta, sen sijaan, että koko koelaite asetetaan pyörivälle alustalle.

Tavallisista nesteistä supernesteisiin

Tutkijat aloittivat kokeensa pyörivät nesteet vuonna 2017, kun he havaitsivat mustia aukkoja jäljittelevän aallon dynamiikan erityisesti suunnitellussa "kylpyammeessa", joka sisälsi lähes 2000 litraa vettä. "Tämä oli läpimurtohetki joidenkin outojen ilmiöiden ymmärtämisessä, joiden tutkiminen muuten on usein haastavaa, ellei mahdotonta", sanoo Weinfurtner, Nottinghamin fyysikko. Mustan aukon laboratorio, jossa kokeilu suunniteltiin ja kehitettiin. "Nyt olemme edistyneemmällä kokeellamme vieneet tämän tutkimuksen uudelle tasolle, mikä voi lopulta johtaa meidät ennustamaan, kuinka kvanttikentät käyttäytyvät kaarevissa avaruusajoissa astrofysikaalisten mustien aukkojen ympärillä."

Siirtyminen klassisista nesteistä, kuten vedestä, kvantteihin, kuten supernesteiseen heliumiin, oli välttämätöntä, Weinfurtner selittää, koska supernesteen viskositeetti on paljon pienempi. Supernesteillä on myös ainutlaatuisia kvanttimekaanisia ominaisuuksia, kuten pyörteen voimakkuuden kvantisointi, mikä tarkoittaa, että minkä tahansa supernesteen heliumin pyörteen on koostuttava kvanttipyörteiksi kutsutuista alkkvanteista. "Meidän kaltaisten suurten pyörteiden asettaminen on haastavaa, koska yksittäisillä kvanteilla on taipumus siirtyä erilleen toisistaan, kuten Patrik mainitsi", Weinfurtner kertoo. Fysiikan maailma, "mutta pystyimme vakauttamaan pyörteitä, joihin mahtuu kymmeniä tuhansia kvantteja kompaktilla alueella, [mikä] on ennätysarvo kvanttinesteiden alueella."

Uusi rakenne auttaa tutkijoita simuloimaan kvanttikenttädynamiikkaa monimutkaisissa pyörivissä kaarevissa tila-ajoissa, kuten mustissa aukoissa, ja tarjoaa vaihtoehdon kaksiulotteisille ultrakylmille järjestelmille, joita on tähän asti käytetty tällaisissa tutkimuksissa, hän lisää.

2D-supernesteissä esiintyy jättimäisiä pyörteitä

"Hyödyntämällä edistyneitä virtauksen ohjaustekniikoita ja korkearesoluutioisia ilmaisumenetelmiä aaltodynamiikan havaitsemiseksi supernesteen pinnalla on mahdollistanut makroskooppisten virtausrakenteiden erottaminen ja monimutkaisten aaltopyörrevuorovaikutusten visualisointi", hän sanoo. "Nämä havainnot ovat paljastaneet mikroskooppisesti sidotut tilat ja ilmiöt mustan aukon kaltainen soitto jättimäisen kvanttipyörteen vapaalla pinnalla, jota tutkimme parhaillaan lisää."

Tutkijat aikovat nyt parantaa havaitsemismenetelmänsä tarkkuutta ja tutkia järjestelmiä, joissa pyörteen voimakkuuden kvantisointi tulee tärkeäksi. "Tämä ominaisuus voi vaikuttaa siihen, miten mustat aukot ovat vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa, mikä saattaa opettaa meille mustien aukkojen fysiikkaa", Svancara sanoo.

Tämä työ on kuvattu yksityiskohtaisesti luonto.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/giant-quantum-tornado-behaves-like-a-black-hole-in-miniature/