Гигантский квантовый вихрь может позволить исследователям изучать черные дыры. Этот вихрь представляет собой вихрь в особой форме жидкого гелия, проявляющий квантовые эффекты. Результат обладает некоторыми свойствами, подобными черным дырам, что позволяет ему действовать как своего рода симулятор.
В областях вокруг черных дыр действуют законы гравитации и квантовой механики, что приводит к эффектам, которые невозможно наблюдать больше нигде в космосе. Это делает эти регионы особенно важными для изучения. «Вокруг черных дыр происходит вся эта интересная физика, но большая ее часть недосягаема», — говорит Силке Вайнфуртнер из Ноттингемского университета в Великобритании. «Таким образом, мы можем использовать эти квантовые симуляторы для исследования явлений, происходящих вокруг черных дыр».
Для создания своего квантового симулятора Вайнфуртнер и ее коллеги использовали сверхтекучий гелий, который течет с чрезвычайно низкой вязкостью — в 500 раз меньшей, чем у воды. Поскольку эта форма гелия движется без трения, она демонстрирует необычные квантовые эффекты и известна как квантовая жидкость. Исследователи поместили гелий в резервуар с вращающимся пропеллером внизу. Вращаясь, пропеллер создавал в жидкости вихрь, похожий на торнадо.
«Хотя подобные вихри и раньше создавались в физических системах, отличных от сверхтекучего гелия, их сила обычно как минимум на пару порядков слабее», — говорит Патрик Шванчара , также работающий в Ноттингемском университете и входящий в команду. Сила и размер вихря имеют решающее значение для создания взаимодействий между вихрем и остальной жидкостью в резервуаре, которые достаточно значительны, чтобы их можно было наблюдать.
Вихрь в этой работе имел диаметр несколько миллиметров, что намного больше, чем другие стабильные вихри, которые создавались в квантовых жидкостях в прошлом. Создать такой большой вихрь сложно, потому что в квантовых жидкостях вращение может происходить только в крошечных «пакетах», называемых квантами, которые по сути представляют собой небольшие вихри. Когда многие из них собираются вместе, они имеют тенденцию становиться нестабильными, но экспериментальная установка позволила исследователям объединить около 40 000 квантов вращения вместе, чтобы сформировать то, что они называют гигантским квантовым вихрем.
«Это экспериментальное проявление силы», — говорит Джефф Штайнхауэр из Израильского технологического института Технион, пионер лабораторного моделирования черных дыр. «Они взяли очень хорошо зарекомендовавшую себя, старую, классическую технику сверхтекучего гелия и сделали с ней что-то действительно новое и значительно увеличили технологические возможности по сравнению с тем, что делалось в прошлом».
Исследователи наблюдали, как крошечные волны в жидкости взаимодействовали с вихрем — процесс, имитирующий способ взаимодействия космических полей в космосе с вращающимися черными дырами. Они обнаружили намеки на феномен черной дыры, называемый режимом звонка, который возникает после того, как две черные дыры объединяются, и образовавшаяся в результате тряска из-за остаточной энергии от слияния.
Теперь, когда установлено, что этот вид вихрей ведет себя аналогично тому, что наблюдается в черных дырах, исследователи планируют использовать квантовые вихри для изучения более неуловимых явлений. «Это отличная отправная точка для исследования нескольких процессов в физике черных дыр с потенциалом поиска новых идей и обнаружения скрытых сокровищ», — говорит Вайнфуртнер.
