“量子龙卷风”推开黑洞研究之门

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“量子龙卷风”推开黑洞研究之门

用于黑洞研究的实验装置。图片来源：美国科学促进会优瑞科网站

英国科学家首次创造了一个新颖的实验平台，即“量子龙卷风”。它能模拟超流体氦中的黑洞，使研究人员能更详细地观察类似黑洞的行为以及与周围环境的相互作用。通过对超流体氦表面微波动力学的观察，研究人员认为，这些“量子龙卷风”模拟了旋转黑洞附近的引力条件。这项研究20日发表在《自然》杂志上。

为了构建量子模拟器，研究人员使用了超流体氦。超流体氦的黏度极低，只有水的五百分之一。由于它运动时没有摩擦，这种形式的氦表现出不寻常的量子效应，被称为量子流体。研究人员把氦放入一个底部装有螺旋桨的罐子里。随着螺旋桨的旋转，超流体氦形成一种类似龙卷风的涡旋。

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体氦。在该温度下，液氦获得了不同寻常的量子性质。

论文主要作者、诺丁汉大学数学科学学院帕特里克·斯万卡拉博士表示，超流体氦包含被称为量子化涡旋的微小物体，它们往往相互扩散。在新装置中，成功地将数万个这样的量子限制在一个类似于小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。

研究人员发现了涡流和黑洞对周围时空引力影响的相似之处。这一成果为在弯曲时空的复杂领域内模拟有限温度量子场理论开辟了新途径。

领导这项研究的西尔克·魏因富特纳强调了该成果的重要性，他表示，通过更复杂的实验，团队将这项研究的水平提升到了一个新高度，最终可能使科学家能预测量子场在天体物理黑洞周围弯曲时空中的行为。