חוקרים מאוניברסיטת נוטינגהאם, יחד עם קינגס קולג' בלונדון ואוניברסיטת ניוקאסל, יצרו מערבולת קוונטית בתוך הליום על-נוזל כדי לדמות תנאי חור שחור. מערך ניסוי זה אפשר להם לחקור גלי שטח זעירים ואת האינטראקציות שלהם בהליום סופר-נוזל, ולגלות כיצד תנאים אלה דומים לכוחות הכבידה ליד חורים שחורים, ומציעים תובנות לגבי שדות קוונטיים בזמני מרחב מעוקלים.
חוקרים יצרו טורנדו קוונטי בהליום סופר נוזלי כדי לדמות חור שחור תנאים, קידום הבנתנו את פיזיקת החורים השחורים ואת התנהגותם של שדות קוונטיים בזמני חלל מעוקלים, ששיאו בתערוכת אמנות ומדע ייחודית.
מדענים יצרו, בפעם הראשונה, מערבולת קוונטית ענקית בהליום על נוזל כדי לחקות חור שחור. פריצת דרך זו אפשרה להם לראות בפירוט רב יותר כיצד חורים שחורים אנלוגיים מתנהגים ומתקשרים עם הסביבה שלהם.
מחקר בראשות אוניברסיטת נוטינגהאם, בשיתוף עם קינגס קולג' בלונדון ואוניברסיטת ניוקאסל, יצר פלטפורמה ניסויית חדשה: טורנדו קוונטי. הם יצרו מערבולת ענקית מסתחררת בתוך הליום סופר נוזלי שצונן לטמפרטורות הנמוכות ביותר האפשריות. באמצעות תצפית על דינמיקת גלים זעירים על פני הנוזל העל, צוות המחקר הראה שטורנדו קוונטיים אלה מחקים תנאי כבידה ליד חורים שחורים מסתובבים. המחקר פורסם היום ב טֶבַע.
מערך ניסוי במעבדה ששימשה במחקר החורים השחורים. קרדיט: לאונרדו סולידורו
המחבר הראשי של המאמר, ד"ר פטריק סוואנקרה מבית הספר למדעי המתמטיקה ב- אוניברסיטת נוטינגהאם מסביר: "שימוש בהליום סופר-נוזל איפשר לנו לחקור גלי שטח זעירים בפירוט רב יותר דיוק מאשר בניסויים הקודמים שלנו במים. מכיוון שהצמיגות של הליום הנוזל העל קטן ביותר, הצלחנו לחקור בקפדנות את האינטראקציה שלהם עם הטורנדו הנוזל העל ולהשוות את הממצאים עם התחזיות התיאורטיות שלנו".
מערכת קריוגנית מתקדמת ותובנות קוונטיות
הצוות בנה מערכת קריוגנית בהתאמה אישית המסוגלת להכיל מספר ליטרים של הליום על נוזל בטמפרטורות נמוכות מ-271 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה זו הליום נוזלי רוכש תכונות קוונטיות יוצאות דופן. תכונות אלו בדרך כלל מעכבות היווצרות של מערבולות ענק בנוזלים קוונטיים אחרים כמו גזים אטומיים קרים במיוחד או נוזלים קוונטיים של אור, מערכת זו מדגימה כיצד הממשק של הליום על נוזלי פועל ככוח מייצב עבור עצמים אלה.
ד"ר סוואנקרה ממשיך: "הליום על נוזלי מכיל עצמים זעירים הנקראים מערבולות קוונטיות, הנוטים להתפשט זה מזה. במערך שלנו, הצלחנו לתחום עשרות אלפי מהקוואנטות הללו באובייקט קומפקטי הדומה לטורנדו קטן, ולהשיג זרימת מערבולת עם כוח שיא בתחום הנוזלים הקוונטיים".
מערבולת קוונטית בניסוי הליום סופר נוזלי. קרדיט: לאונרדו סולידורו
קישור מערבולות קוונטיות לפיזיקת חור שחור
חוקרים חשפו הקבלות מסקרנות בין זרימת המערבולת להשפעת הכבידה של חורים שחורים על המרחב-זמן שמסביב. הישג זה פותח אפיקים חדשים להדמיות של תיאוריות שדות קוונטיים בטמפרטורה סופית בתחום המורכב של זמני מרחב מעוקלים.
פרופסור סילק ויינפורטנר, המובילה את העבודה במעבדת החור השחור שבה פותח הניסוי הזה, מדגישה את המשמעות של עבודה זו: "כשצפינו לראשונה בחתימות ברורות של פיזיקת החורים השחורים בניסוי האנלוגי הראשוני שלנו בשנת 2017, זה היה רגע פריצת דרך על הבנת כמה מהתופעות המוזרות שלעתים קרובות מאתגרות, אם לא בלתי אפשריות, ללמוד אחרת. כעת, עם הניסוי המתוחכם יותר שלנו, לקחנו את המחקר הזה לשלב הבא, מה שיכול בסופו של דבר להוביל אותנו לחזות כיצד שדות קוונטיים מתנהגים בזמני חלל מעוקלים סביב חורים שחורים אסטרופיזיים."
מחקר פורץ דרך זה ממומן על ידי מענק של 5 מיליון ליש"ט מהמועצה למתקנים טכנולוגיים למדע, המופץ בין צוותים בשבעה מוסדות מובילים בבריטניה, כולל אוניברסיטת נוטינגהאם, אוניברסיטת ניוקאסל וקינגס קולג' בלונדון. הפרויקט נתמך גם על ידי מענק רשת UKRI על סימולטורים קוונטיים לפיזיקה בסיסית והן מלגת מנהיגי המחקר של Leverhulme של פרופסור Silke Weinfurtner.
שיאו של מחקר זה יחגוג ויחקור בצורה יצירתית בתערוכת אמבי שכותרתה טיטאנים קוסמיים ב-Djanogly Gallery, Lakeside Arts, The University of Nottingham, מ-25 בינואר עד 27 באפריל 2025 (וסיורים למקומות בבריטניה ומחוצה לה). התערוכה תכלול פסלים, מיצבים ויצירות אמנות סוחפות שהוזמנו לאחרונה על ידי אמנים מובילים, כולל Conrad Shawcross RA, הנובעות מסדרה של שיתופי פעולה חדשניים בין אמנים ומדענים בהנחיית ARTlab Nottingham. התערוכה תתחתן עם חקירות יצירתיות ותיאורטיות על חורים שחורים והולדת היקום שלנו.
