巨型量子龙成交量风的行为就像一个微型黑洞

搅拌机中的黑洞：研究人员用来创建巨大量子涡旋的实验装置，它模仿了黑洞的某些行为。 （由莱昂纳多·索利多罗提供）

一个被称为巨型量子涡旋的新颖实验平台模仿了黑洞的某些行为，使科学家有机会近距离观察这些天体物理结构的物理现象。 该涡旋出现在冷却至接近绝对零温度的超流氦中，根据制造该涡旋的团队的说法，对其动力学的研究可以为Cosmos黑洞如何产生其特有的旋转弯曲时空提供线索。

黑洞对其周围环境施加巨大的引力，使时空结构弯曲到我们在Cosmos中观察到的其他结构中前所未有的程度。 这些力是如此之大，以至于当黑洞旋转时它们会拖动周围的时空结构，从而创造出独特的湍流环境。

这种戏剧性的效果显然无法在实验室中研究，因此研究人员正在探索制造模仿它们的结构的方法。 例如，如果流体的粘度极低，重力和流体动力学的行为类似，液氦（一种超流体，意味着它流动时几乎没有或没有摩擦）和冷Atom云就是这种情况。

厨房搅拌机中产生的涡流

在接近零的温度（低于 -271 °C）下，液氦含有称为量子涡旋的微小漩涡结构。 英国诺丁汉大学的物理学家帕特里克·斯万卡拉（Patrik Svancara）解释说，通常情况下，这些漩涡是分开的。 然而，在最新的研究中，Svancara、联合团队负责人 Silke Weinfurtner 以及伦敦国王学院和纽卡斯尔大学的同事成功地将数以万计的量子限制在一个类似于龙成交量风的紧凑物体中。

“我们装置的核心部分是一个旋转的螺旋桨，它建立了超流氦的连续循环回路，稳定了其上方形成的涡流，”Weinfurtner 和 Svancara 解释道。 他们补充说，这种装置的灵感来自于日本的研究人员，他们同样在类似于厨房搅拌机的设备中产生了巨大的涡流，而不是将整个实验设备放置在旋转平台上。

旋转：超流氦中形成的量子涡旋。 （由莱昂纳多·索利多罗提供）

从普通流体到超流体

研究人员早在 2017 年就开始了旋转流体实验，当时他们在一个专门设计的装有近 2000 升水的“浴缸”中观察了模拟黑洞的波动力学。 诺丁汉黑洞实验室的物理学家温富特纳说：“对于理解一些奇异现象来说，这是一个突破性的时刻，这些现象如果不是不可能的话，通常很难通过其他方式进行研究。”该实验是在诺丁汉黑洞实验室构思和开发的。 “现在，通过更复杂的实验，我们将这项研究提升到了一个新的水平，这最终可能使我们能够预测量子场在天体物理黑洞周围的弯曲时空中的行为。”

温福特纳解释说，从水等经典流体到超流氦等量子流体的转变至关重要，因为超流体的粘度要小得多。 超流体还表现出独特的量子力学特性，例如涡旋强度的量子化，这意味着超流氦中的任何涡旋都必须由称为量子涡旋的基本量子组成。 “建立像我们这样的大涡流是具有挑战性的，因为正如帕特里克提到的那样，单个量子往往会彼此分开，”温福特纳告诉《物理世界》，“但我们能够稳定涡流，在一个紧凑的区域中容纳数以万计的量子, [which] 这是量子流体领域的破纪录数值。”

她补充说，这种新结构将帮助研究人员模拟复杂的旋转弯曲时空（如黑洞）内的量子场动力学，并为迄今为止此类研究中常规使用的二维超冷系统提供替代方案。

“利用先进的流动控制技术和高分辨率检测方法来检测超流体表面的波动力学，使我们能够提取宏观流动结构并可视化复杂的波涡相互作用，”她说。 “这些观测揭示了巨大量子涡旋自由表面上存在微观束缚态和类黑洞振铃现象，我们目前正在进一步研究。”

研究人员现在计划提高其检测方法的准确性，并探索涡流强度的量化变得重要的机制。 斯万卡拉说：“这一特征可能会影响黑洞与周围环境相互作用的方式，从而有可能教会我们黑洞的物理学知识。”

目前的工作在《自然》杂志上有详细介绍。