Ученые создали «гигантский квантовый вихрь», имитирующий черную дыру
Ученые создали симулятор черной дыры, состоящий из гигантского «квантового вихря» внутри сверхтекучего гелия. Полученные в результате экспериментов результаты должны позволить им лучше понять некоторые механизмы, управляющие поведением этих удивительных космических объектов.
Изучение поведения черных дыр, этих космических объектов, которые до сих пор остаются загадочными, сделало еще один шаг вперед благодаря работе команды из Ноттингемского университета (Англия). В исследовании, опубликованном на портале предварительной публикации arXiv, рассказывается о создании квантового симулятора черных дыр.
Это устройство, основанное на гигантском квантовом вихре в сверхтекучем гелии, призвано рассказать нам больше о взаимодействии классической теории гравитации и квантовой механики внутри черных дыр, некоторые явления которых недоступны из-за удаленной и сложной природы этих объектов. Этот эксперимент может пролить свет на фундаментальные аспекты физики и формирования Вселенной.
Создание гигантского квантового вихря
В своем стремлении смоделировать экстремальные условия существования черных дыр исследователи из Ноттингемского университета решили использовать сверхтекучий гелий. Этот выбор немаловажен: сверхтекучий гелий характеризуется исключительно низкой вязкостью, примерно в 500 раз меньшей, чем у воды. Эта уникальная характеристика позволяет жидкости течь без какого-либо сопротивления, создавая идеальную среду для наблюдения редких квантовых явлений.
Для проведения эксперимента команда исследователей поместила гелий в контейнер, в основании которого находился пропеллер. Активация этой спирали создавала внутри массы гелия вихрь, напоминающий мини-торнадо. Хотя вихри уже возникали в других жидкостях, их сила была гораздо меньше. Особенностью этого вихря является гораздо большая сила, действующая на вихрь, и его размер — оба фактора необходимы для того, чтобы вызвать значительное взаимодействие между вихрем и остальной жидкостью в контейнере.
По данным New Scientist, диаметр образовавшегося вихря составляет всего несколько миллиметров, что, несмотря на кажущуюся малость, классифицирует его как значительно больший, чем другие стабильные вихри, ранее возникавшие в квантовых жидкостях.
Создание этого гигантского квантового вихря само по себе является техническим достижением. В квантовых жидкостях вращение происходит не непрерывно, а небольшими отдельными сегментами, называемыми квантами. Эти кванты представляют собой своего рода мини-вихри, и сохранение их стабильности становится настоящей проблемой, когда они собираются в большом количестве. Ноттингемской команде удалось объединить около 40 000 таких квантов, чтобы создать один большой вихрь.
Моделирование различных явлений, связанных с черными дырами
Затем авторы наблюдали за взаимодействием между крошечными волнами и квантовым вихрем. Они воспроизводят, в гораздо меньшем и контролируемом масштабе, сложную динамику, которая происходит в глубоком космосе.
В космическом пространстве космические поля — области пространства, на которые влияют такие силы, как гравитация и магнетизм, — сложным образом взаимодействуют с вращающимися черными дырами. Эти взаимодействия, как известно, трудно изучать напрямую из-за расстояния, отделяющего нас от них, и экстремальных условий, окружающих черные дыры. Воссоздав подобный сценарий в своей лаборатории, исследователи смогли наблюдать и анализировать подобные динамические взаимодействия гораздо более детально.
Одним из самых значительных открытий этого эксперимента, несомненно, является обнаружение ключей к резонансному режиму черных дыр — явлению, возникающему при слиянии двух черных дыр. Когда две черные дыры сливаются, образовавшийся объект проходит через фазу «звона», в которой он испускает гравитационные пульсации, стабилизируясь в новой форме.
Этот этап можно сравнить с тем, как колокол продолжает вибрировать после удара. Возможность смоделировать и наблюдать этот резонансный режим в лаборатории является прорывом. Черные дыры играют важнейшую роль в формировании Вселенной и представляют собой точки, в которых общая теория относительности Эйнштейна и квантовая теория поля, казалось бы, противоречат друг другу. Моделирование этих явлений на Земле может помочь нам понять и в конечном итоге разрешить эти противоречия.
Профессор Силке Вайнфуртнер, ведущий автор исследования, рассказала: «Физика повторяется во многих местах. Это очень универсальный набор математических моделей. И если математика одинакова, то и физика должна быть такой же«. Она добавляет: «Для меня аналоги — это дар природы. Существует целый класс систем, в которых происходят одни и те же физические процессы«.