Квантовый торнадо открывает путь к пониманию черных дыр

Ученые впервые создали гигантский квантовый вихрь, имитирующий черную дыру в сверхтекучем гелии, что позволило им более детально увидеть, как аналоговые черные дыры ведут себя и взаимодействуют с окружающей средой.

Исследователи из Ноттингемского университета в сотрудничестве с коллегами из Королевского колледжа Лондона и Университета Ньюкасла придумали новую экспериментальную платформу: квантовый торнадо.

Они создали гигантский закрученный вихрь внутри сверхтекучего гелия, охлажденного до минимально возможных температур. Путем наблюдения за динамикой мельчайших волн на поверхности сверхтекучей жидкости исследовательская группа показала, что эти квантовые торнадо имитируют гравитационные условия вблизи вращающихся черных дыр.

Ведущий автор статьи доктор Патрик Сванкара из Школы математических наук Ноттингемского университета объясняет: «Использование сверхтекучего гелия позволило нам изучать крошечные поверхностные волны более детально и точно, чем в наших предыдущих экспериментах с водой. Поскольку вязкость сверхтекучего гелия чрезвычайно мала, мы смогли тщательно исследовать их взаимодействие со сверхтекучим торнадо и сравнить полученные результаты с нашими собственными теоретическими прогнозами».

Ученые создали специальную криогенную систему, способную содержать несколько литров сверхтекучего гелия при температуре ниже -271 °C. При этой температуре жидкий гелий приобретает необычные квантовые свойства.

Сверхтекучий гелий содержит крошечные объекты, называемые квантовыми вихрями, которые имеют тенденцию отдаляться друг от друга. В нашей установке нам удалось удержать десятки тысяч этих квантов в компактном объекте, напоминающем небольшой торнадо, добившись вихревого потока с рекордной силой в области квантовых жидкостей.
Д-р Патрик Сванкара.

Эти свойства обычно препятствуют образованию гигантских вихрей в других квантовых жидкостях, таких как ультрахолодные атомные газы или квантовые жидкости света. Такая система демонстрирует, как граница раздела сверхтекучего гелия действует как стабилизирующая сила для этих объектов.

Исследователи обнаружили интригующие параллели между вихревым потоком и гравитационным влиянием черных дыр на окружающее пространство-время.

Это достижение открывает новые возможности для моделирования квантовых теорий поля с конечной температурой в сложной сфере искривленного пространства-времени.

«Когда мы впервые наблюдали явные признаки физики черных дыр в нашем первоначальном аналоговом эксперименте еще в 2017 году, это был прорывной момент для понимания некоторых причудливых явлений, которые зачастую сложно, а то и невозможно изучить иначе», — сказала Силке Вайнфуртнер, который руководит работами в Black Hole Laboratory.

«Теперь, благодаря нашему более сложному эксперименту, мы вывели это исследование на новый уровень, что в конечном итоге может привести нас к предсказанию того, как квантовые поля ведут себя в искривленном пространстве-времени вокруг черных дыр».

Исследование опубликовано в журнале Nature.