可使用量子龙卷风制造地球黑洞

“量子龙卷风”允许科学家模拟地球上的黑洞-科学家们创造了一个由微小的量子碎片组成的巨大漩涡，将黑洞物理学带到地球。

图为涟漪超流体中的黑洞（图片来源：Robert Lea）

由于巨大的引力，黑洞周围的区域是由物理驱动的暴力和动荡的环境，这在宇宙其他任何地方都找不到。事实上，黑洞的影响力如此之大，以至于当它们旋转时，它们会拖动空间结构。换句话说，在黑洞附近，没有什么是静止的。什么都没有。显然，黑洞不能被拖到地球上，所以这些效应可以在实验室中研究——但由诺丁汉大学科学家领导的研究小组已经做了接下来最好的事情。

研究人员首次在冷却到超冷温度的氦超流体中创造了一个旋转的“量子漩涡”。这个装置基本上模仿了我们星球上的黑洞。这是因为量子龙卷风在超流体表面产生了微小的波，超流体是一种能够显示无摩擦流动（或令人难以置信的低粘度）和其他在接近绝对零度的温度下观察到的奇异行为的材料。这些行为模仿了旋转黑洞附近发现的条件。

“使用超流体氦使我们能够比之前在水中进行的实验更详细、更准确地研究微小的表面波，”他说。帕特里克·斯万卡拉是诺丁汉大学的研究小组负责人，他在一份声明中说。“由于超流体氦的粘度极小，我们能够仔细研究它们与超流体龙卷风的相互作用，并将发现与我们自己的理论预测进行比较。”（左）实验团队使用的设置（右）量子龙卷风Gen。由团队在超流体氦实验室进行（图片来源：Leonardo Selidere）

旋转时空龙卷风要理解超流体漩涡如何与黑洞相似，必须记住爱因斯坦1915年的广义相对论告诉我们关于黑洞的信息。广义相对论认为，空间和时间是一个单一的实体，称为时空，当质量物体使时空弯曲时，重力就会产生。黑洞实际上不是物体，而是时空的区域。由无限密集和紧凑的质量-一个物理定律崩溃的中心奇点。这些时空区域的外边界称为事件视界，它代表了光速不足以匹配黑洞逃逸速度的点。

黑洞只有三个已知的特征：电荷，质量和角动量，或“自旋”。一个旋转的黑洞，或“克尔黑洞”，具有角动量，也会在它旋转的方向上拖动周围的时空结构，这种效应被称为“框架拖曳”，或者在第一个提出它的科学家之后的弹力变化效应。考虑到弹力变化效应和力如何围绕克尔黑洞形成恒定运动，流体中的漩涡，或者大气中的龙卷风，与这样的时空区域非常松散地相似是有道理的，但是，团队的黑洞模拟漩涡的关键是它在任何旧流体中都没有发现。它是在冷却至绝对零度的超流体中制成的。

插图显示了一个旋转的黑洞拖动着时空结构。（图片来源：Robert Lea）为了进行实验，该团队构建了一个定制的低温系统，能够容纳几升氦气，并将其冷却到零下456华氏度（零下271摄氏度）以下。这大约比绝对零度高3到4度，等于-459.76华氏度（-273.15摄氏度）。绝对零度是理论上可能的温度。在绝对零度，所有原子的运动都将停止。在实验达到的温度下，液氦发展出通常会阻碍巨大漩涡形成的量子特性。这个系统显示了这是如何无法真正解决的；该团队最终在超冷超流体中使用许多较小的部件构建了量子龙卷风。

“超流体氦包含称为量子漩涡的微小物体，它们往往彼此分散，”Svancara继续说。“在我们的设置中，我们已经成功地将数以万计的量子限制在一个类似于小型龙卷风的紧凑物体中，实现了量子流体领域中强度破纪录的涡流。Svancara和他的同事们发现了量子龙卷风和黑洞引力影响时空的方式之间迷人的相似之处，该团队希望该实验将开辟一种方法，在弯曲时空中更广泛地模拟量子物理学，甚至在黑洞弯曲时空中，M87星系的巨型黑洞以接近光速喷射出喷流吸血鬼黑洞是一个“宇宙粒子加速器”，可能会解决一个长期存在的天文学之谜人类有史以来第一个黑洞成像有扭曲的磁场，科学家们很兴奋。

“当我们在2017年的最初模拟实验中首次观察到黑洞物理的明显特征时，这是一个突破性的时刻，对于理解一些通常具有挑战性的奇怪现象，如果不是不可能的话，否则进行研究。开发和进行该实验的黑洞实验室负责人Silke Weinfurtner在声明中解释说。现在，”Weinfurtner继续说，“通过我们更复杂的实验，我们已经将这项研究提升到了一个新的水平，这可能最终导致我们预测量子场在天体物理黑洞周围弯曲时空中的行为。该团队的研究于周三（3月20日）发表在《自然》杂志上。

By：Robert Lea

FY: 何丹怀

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