科学家首创量子旋涡系统，为研究黑洞另辟蹊径

黑洞示意图。（Shutterstock）

科学家首次成功地在超流态氦中创建出一个巨型量子涡旋，借此模拟黑洞，以便更精细地研究黑洞的特性及其与周遭环境的交互作用。

由诺丁汉大学领导的研究团队与伦敦国王学院、纽卡斯尔大学合作，创建了一个新颖的实验平台——量子涡旋（quantum vortex）。研究小组在超流态的氦中创造了一个巨大的漩涡，并将其冷却到尽可能低的温度。

通过对超流体表面微小波动的观察，小组发现这些量子龙卷风成功模拟了旋转黑洞附近的引力条件。该研究已于3月20日发表在《自然》（Nature）期刊上。

该论文的主要作者、诺丁汉大学数学科学学院的帕特里克‧斯万卡拉（Patrik Svancara）博士解释说：“与之前在水中进行的实验相比，使用超流氦使我们能够更详细、更准确地研究微小的表面波。超流氦的粘度非常小，能够仔细研究其与超流涡旋的相互作用，并将研究结果与我们自己的理论预测进行比较。”

该团队构建了一个定制的低温系统，能够在低于-271℃的温度下容纳几升超流氦。在这个温度下，液氦获得了不寻常的量子特性。这些特性通常会阻碍其它量子流体（如超冷原子气体或光量子流体）中巨大漩涡的形成，该系统演示了超流氦的界面如何充当量子物体的稳定力。

斯万卡拉博士继续说道：“超流氦含有称为量子涡旋的微小物体，它们往往会彼此分开。在我们的装置中，成功地将数以万计的量子涡旋限制在一个类似于小型紧凑的龙卷风中。在量子流体领域实现了破纪录强度的涡流。”

研究人员发现了涡流和黑洞对周围时空的引力影响之间有趣的相似之处。这一成就为弯曲时空这种复杂领域内的有限温度量子场论模拟开辟了新途径。

领导该实验的希尔克‧温福特纳（Silke Weinfurtner）教授表示：“当我们在2017年最初的模拟实验中首次观察到黑洞的清晰特征时，那是理解黑洞物理特征突破性的时刻。奇怪现象往往具有挑战性。现在，通过更复杂的实验，已将这项研究提升到了一个新水平，最终可能使我们能够预测量子场在天体物理黑洞周围弯曲时空中的行为。”

这项研究将于2025年1月25日至4月27日在诺丁汉大学湖滨艺术中心的贾诺格利画廊（Djanogly Gallery）进行展出，名为“宇宙中的巨人”（Cosmic Titans），随后将于英国各地及海外巡展。该展览是对黑洞和宇宙诞生奥秘进行的创造性理论探究。