實驗室中的量子氦龍捲風模擬了黑洞扭曲的時空
看過科幻電影的人都知道,在實驗室裡製造一個黑洞似乎不是個好主意。但這並沒有阻止英國的研究人員,他們想看看能否在實驗室裡製造出黑洞的類似物,讓他們更深入地了解銀河系引力吞噬者附近的時空彎曲方式。
於是,來自諾丁漢大學(UN)、倫敦國王學院和紐卡斯爾大學的研究人員轉而研究流體中的漩渦,因為流體中的漩渦在某種程度上可以模擬太空中物質圍繞黑洞旋轉的方式。
特別是,他們決定看看是否能改進聯合國黑洞實驗室之前發明的一種方法,即在一個特殊設計的水槽中的旋渦可以揭示黑洞周圍發生的一種已知的特殊現象,即超光度(superradiance )。(您可以在以下聯合國影片中觀看該實驗)。
在這個實驗中,他們使用了冷至冰冷的-271 °C(-456 °F)的超流體氦。超流體是一種黏度接近零的流體。
諾丁漢大學數學科學學院的帕特里克-斯萬卡拉(Patrik Svancara)是這項研究的第一作者,他介紹說:”由於超流體氦的粘度極小,我們能夠細緻地研究它們與超流體龍捲風的相互作用,並將研究結果與我們自己的理論預測進行比較。”
在超流體氦被冷卻到的溫度下,它開始表現出量子特性,這可能導致它變得不穩定。不過,一個客製化的腔室讓研究團隊得以控制流體,減輕了量子效應。
斯萬卡拉說:”超流體氦含有被稱為量子漩渦的微小物體,它們往往會相互擴散。在我們的裝置中,我們成功地將數萬個這樣的量子限制在一個類似小型龍捲風的緊湊物體中,實現了量子流體領域中強度破紀錄的渦流。”
透過測量這種超冷超流體表面的波動力學,研究小組得出結論,該系統模仿了與旋轉黑洞附近相同的引力條件。希望這個裝置能幫助研究小組進一步深入了解黑洞,儘管不斷發現,但黑洞對天文物理學家來說仍有許多謎團。
“早在2017年,當我們在最初的模擬實驗中首次觀測到黑洞物理的清晰特徵時,這對於理解一些奇異現象來說是一個突破性的時刻,而這些現象往往是具有挑戰性的,甚至是不可能研究的,”黑洞實驗室的工作負責人西爾克-魏因富特納(Silke Weinfurtner)說。”現在,透過更複雜的實驗,我們將這項研究提升到了一個新的水平,最終可以預測量子場在天文物理黑洞周圍的彎曲時空中的行為方式。”
這項研究發表在《自然》雜誌。