科學家首創量子旋渦系統 為研究黑洞另闢蹊徑

【2024年04月05日訊】(記者林達編譯報導)科學家首次成功地在超流態氦中創建出一個巨型量子渦旋,藉此模擬黑洞,以便更精細地研究黑洞的特性及其與周遭環境的交互作用。

由諾丁漢大學領導的研究團隊與倫敦國王學院、紐卡斯爾大學合作,創建了一個新穎的實驗平台——量子渦旋(quantum vortex)。研究小組在超流態的氦中創造了一個巨大的漩渦,並將其冷卻到儘可能低的溫度。

通過對超流體表面微小波動的觀察,小組發現這些量子龍捲風成功模擬了旋轉黑洞附近的引力條件。該研究已於3月20日發表在《自然》(Nature)期刊上。

該論文的主要作者、諾丁漢大學數學科學學院的帕特里克‧斯萬卡拉(Patrik Svancara)博士解釋說:「與之前在水中進行的實驗相比,使用超流氦使我們能夠更詳細、更準確地研究微小的表面波。超流氦的粘度非常小,能夠仔細研究其與超流渦旋的相互作用,並將研究結果與我們自己的理論預測進行比較。」

該團隊構建了一個定製的低溫系統,能夠在低於-271℃的溫度下容納幾升超流氦。在這個溫度下,液氦獲得了不尋常的量子特性。這些特性通常會阻礙其它量子流體(如超冷原子氣體或光量子流體)中巨大漩渦的形成,該系統演示了超流氦的界面如何充當量子物體的穩定力。

斯萬卡拉博士繼續說道:「超流氦含有稱為量子渦旋的微小物體,它們往往會彼此分開。在我們的裝置中,成功地將數以萬計的量子渦旋限制在一個類似於小型緊湊的龍捲風中。在量子流體領域實現了破紀錄強度的渦流。」

研究人員發現了渦流和黑洞對周圍時空的引力影響之間有趣的相似之處。這一成就為彎曲時空這種複雜領域內的有限溫度量子場論模擬開闢了新途徑。

領導該實驗的希爾克‧溫福特納(Silke Weinfurtner)教授表示:「當我們在2017年最初的模擬實驗中首次觀察到黑洞的清晰特徵時,那是理解黑洞物理特徵突破性的時刻。奇怪現象往往具有挑戰性。現在,通過更複雜的實驗,已將這項研究提升到了一個新水平,最終可能使我們能夠預測量子場在天體物理黑洞周圍彎曲時空中的行為。」

這項研究將於2025年1月25日至4月27日在諾丁漢大學湖濱藝術中心的賈諾格利畫廊(Djanogly Gallery)進行展出,名為「宇宙中的巨人」(Cosmic Titans),隨後將於英國各地及海外巡展。該展覽是對黑洞和宇宙誕生奧祕進行的創造性理論探究。◇

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