Naukowcy z Uniwersytetu w Nottingham, King’s College London i Newcastle University stworzyli wir kwantowy w nadciekłym helu, aby symulować warunki czarnej dziury. Ta konfiguracja eksperymentalna pozwoliła im badać maleńkie fale powierzchniowe i ich interakcje w nadciekłym helu, ujawniając, w jaki sposób warunki te przypominają siły grawitacyjne w pobliżu czarnych dziur, zapewniając wgląd w pola kwantowe w zakrzywionych czasoprzestrzeniach.
Do symulacji naukowcy stworzyli tornado kwantowe w nadciekłym helu czarna dziura warunków atmosferycznych, pogłębiając naszą wiedzę na temat fizyki czarnych dziur i zachowania pól kwantowych w zakrzywionych czasoprzestrzeniach, czego zwieńczeniem była wyjątkowa wystawa artystyczno-naukowa.
Naukowcy po raz pierwszy stworzyli gigantyczny wir kwantowy w nadciekłym helu, który imituje czarną dziurę. Ten przełom umożliwił im bardziej szczegółową obserwację zachowania analogowych czarnych dziur i interakcji z otoczeniem.
Badania prowadzone pod kierunkiem Uniwersytetu w Nottingham, we współpracy z King’s College London i Newcastle University, pozwoliły stworzyć nowatorską platformę eksperymentalną: tornado kwantowe. Stworzyli gigantyczny wirujący wir w nadciekłym helu, który jest schładzany do najniższej możliwej temperatury. Obserwując dynamikę fal minutowych na powierzchni nadciekłego, zespół badawczy wykazał, że te tornada kwantowe naśladują warunki grawitacyjne w pobliżu wirujących czarnych dziur. Wyniki badania opublikowano dzisiaj w czasopiśmie Natura.
Konfiguracja eksperymentalna w laboratorium wykorzystywana w badaniach nad czarną dziurą. Źródło: Leonardo Solidoro
Główny autor artykułu, dr Patrik Svancara ze Szkoły Nauk Matematycznych Uniwersytetu im Uniwersytet w Nottingham wyjaśnia: „Wykorzystanie nadciekłego helu umożliwiło nam bardziej szczegółowe badanie maleńkich fal powierzchniowych dokładność niż w przypadku naszych poprzednich eksperymentów w wodzie. Ponieważ lepkość nadciekłego helu jest niezwykle mała, byliśmy w stanie szczegółowo zbadać ich interakcję z nadciekłym tornado i porównać wyniki z naszymi własnymi przewidywaniami teoretycznymi”.
Zaawansowany system kriogeniczny i spostrzeżenia kwantowe
Zespół skonstruował specjalnie zaprojektowany system kriogeniczny, który może pomieścić kilka litrów nadciekłego helu w temperaturach niższych niż -271°C. W tej temperaturze ciekły hel nabiera niezwykłych właściwości kwantowych. Właściwości te zazwyczaj utrudniają powstawanie gigantycznych wirów w innych płynach kwantowych, takich jak ultrazimne gazy atomowe lub kwantowe płyny światła. Układ ten pokazuje, jak powierzchnia międzyfazowa nadciekłego helu działa jako siła stabilizująca te obiekty.
Dr Svancara kontynuuje: „Nadciekły hel zawiera maleńkie obiekty zwane wirami kwantowymi, które mają tendencję do oddalania się od siebie. W naszym układzie udało nam się zamknąć dziesiątki tysięcy tych kwantów w zwartym obiekcie przypominającym małe tornado, uzyskując przepływ wirowy o rekordowej sile w dziedzinie płynów kwantowych”.
Wir kwantowy w eksperymencie z nadciekłym helem. Źródło: Leonardo Solidoro
Łączenie wirów kwantowych z fizyką czarnych dziur
Naukowcy odkryli intrygujące podobieństwa między przepływem wirowym a grawitacyjnym wpływem czarnych dziur na otaczającą czasoprzestrzeń. To osiągnięcie otwiera nowe możliwości symulacji kwantowych teorii pola o skończonej temperaturze w złożonej dziedzinie zakrzywionych czasoprzestrzeni.
Profesor Silke Weinfurtner, kierująca pracami w Black Hole Laboratory, w którym opracowano ten eksperyment, podkreśla znaczenie tej pracy: „Kiedy po raz pierwszy zaobserwowaliśmy wyraźne oznaki fizyki czarnych dziur w naszym pierwszym eksperymencie analogowym w 2017 roku, był to przełomowy moment za zrozumienie niektórych dziwacznych zjawisk, których zbadanie w inny sposób jest często trudne, jeśli nie niemożliwe. Teraz, dzięki naszemu bardziej wyrafinowanemu eksperymentowi, przenieśliśmy te badania na wyższy poziom, co ostatecznie może doprowadzić nas do przewidywania zachowania pól kwantowych w zakrzywionych czasoprzestrzeniach wokół astrofizycznych czarnych dziur”.
Odniesienie: „Obracające się zakrzywione sygnatury czasoprzestrzeni z gigantycznego wiru kwantowego” autorstwa Patrika Švančary, Pietro Smaniotto, Leonardo Solidoro, Jamesa F. MacDonalda, Sama Patricka, Ruth Gregory, Carlo F. Barenghi i Silke Weinfurtner, 20 marca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07176-8
To przełomowe badanie jest finansowane z grantu w wysokości 5 milionów funtów od Science Technology Facilities Council, rozdzielonego pomiędzy zespoły w siedmiu wiodących brytyjskich instytucjach, w tym na Uniwersytecie w Nottingham, Uniwersytecie w Newcastle i King’s College London. Projekt otrzymał także wsparcie z grantu sieci UKRI na rzecz symulatorów kwantowych dla fizyki podstawowej oraz ze stypendium Leverhulme Research Leaders Fellowship prowadzonego przez profesor Silke Weinfurtner.
Kulminacją tych badań będzie celebracja i twórcza eksploracja na wystawie ambicjonalnej zatytułowanej Kosmiczni Tytani w Djanogly Gallery, Lakeside Arts, University of Nottingham, od 25 stycznia do 27 kwietnia 2025 r. (oraz tournee do miejsc w Wielkiej Brytanii i za granicą). Wystawa obejmie nowo zamówione rzeźby, instalacje i wciągające dzieła sztuki autorstwa czołowych artystów, w tym Conrada Shawcrossa RA, które są efektem serii innowacyjnej współpracy między artystami i naukowcami za pośrednictwem ARTlab Nottingham. Wystawa połączy twórcze i teoretyczne badania nad czarnymi dziurami i narodzinami naszego Wszechświata.
