Các nhà khoa học lần đầu tiên đã tạo ra một xoáy lượng tử khổng lồ để bắt chước một lỗ đen trong helium siêu lỏng cho phép họ nhìn thấy chi tiết hơn cách các lỗ đen tương tự hoạt động và tương tác với môi trường xung quanh.

Nghiên cứu dẫn đầu bởi Đại học Nottingham, phối hợp với King’s College London và Đại học Newcastle, đã tạo ra một nền tảng thử nghiệm mới: một cơn lốc xoáy lượng tử. Họ đã tạo ra một xoáy xoáy khổng lồ bên trong heli siêu lỏng được làm lạnh đến nhiệt độ thấp nhất có thể.

Thông qua việc quan sát động lực sóng nhỏ trên bề mặt siêu lỏng, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng những cơn lốc xoáy lượng tử này bắt chước các điều kiện hấp dẫn gần các lỗ đen quay. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature.

Tác giả chính của bài báo, Tiến sĩ Patrik Svancara từ Trường Khoa học Toán học tại Đại học Nottingham giải thích: “Sử dụng helium siêu lỏng đã cho phép chúng tôi nghiên cứu sóng bề mặt nhỏ chi tiết và chính xác hơn so với các thí nghiệm trước đây của chúng tôi trong nước. Vì độ nhớt của heli siêu lỏng là cực kỳ nhỏ, chúng tôi đã có thể điều tra tỉ mỉ sự tương tác của chúng với cơn lốc xoáy siêu lỏng và so sánh những phát hiện với các dự đoán lý thuyết của riêng chúng tôi.

Nhóm nghiên cứu đã xây dựng một hệ thống đông lạnh riêng biệt có khả năng chứa vài lít heli siêu lỏng ở nhiệt độ thấp hơn -271 ° C. Ở nhiệt độ này, helium lỏng thu được các tính chất lượng tử bất thường. Những tính chất này thường cản trở sự hình thành các xoáy khổng lồ trong các chất lỏng lượng tử khác như khí nguyên tử cực lạnh hoặc chất lỏng lượng tử của ánh sáng, hệ thống này chứng minh cách giao diện của helium siêu lỏng hoạt động như một lực ổn định cho các vật thể này.

Tiến sĩ Svancara tiếp tục, “Heli siêu lỏng chứa các vật thể nhỏ gọi là xoáy lượng tử, có xu hướng lan rộng ra xa nhau. Trong thiết lập của chúng tôi, chúng tôi đã cố gắng nhốt hàng chục ngàn lượng tử này trong một vật thể nhỏ gọn giống như một cơn lốc xoáy nhỏ, đạt được dòng xoáy với sức mạnh phá kỷ lục trong lĩnh vực chất lỏng lượng tử.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra sự tương đồng hấp dẫn giữa dòng xoáy và ảnh hưởng hấp dẫn của các lỗ đen lên không thời gian xung quanh. Thành tựu này mở ra những con đường mới cho việc mô phỏng các lý thuyết trường lượng tử nhiệt độ hữu hạn trong lĩnh vực phức tạp của không thời gian cong.

Giáo sư Silke Weinfurtner, người đứng đầu công việc tại Phòng thí nghiệm lỗ đen nơi thí nghiệm này được phát triển, cho biết: “Khi chúng tôi lần đầu tiên quan sát thấy dấu hiệu rõ ràng của vật lý lỗ đen trong thí nghiệm tương tự ban đầu của chúng tôi vào năm 2017, đó là một khoảnh khắc đột phá để hiểu một số hiện tượng kỳ lạ thường là thách thức, nếu không muốn nói là không thể, để nghiên cứu khác.

“Bây giờ, với thí nghiệm phức tạp hơn của chúng tôi, chúng tôi đã đưa nghiên cứu này lên cấp độ tiếp theo, cuối cùng có thể dẫn chúng tôi dự đoán cách các trường lượng tử hoạt động trong không thời gian cong xung quanh các lỗ đen vật lý thiên văn.”

Đỉnh cao của nghiên cứu này sẽ được tổ chức và khám phá một cách sáng tạo trong một triển lãm ambi mang tên “Cosmic Titans” tại Phòng trưng bày Djanogly, Nghệ thuật Lakeside, Đại học Nottingham, từ ngày 25 tháng 1 đến ngày 27 tháng 4 năm 2025 (và lưu diễn đến các địa điểm ở Anh và nước ngoài).

Triển lãm sẽ bao gồm các tác phẩm điêu khắc, sắp đặt và tác phẩm nghệ thuật nhập vai mới được ủy quyền bởi các nghệ sĩ hàng đầu bao gồm Conrad Shawcross RA là kết quả của một loạt các hợp tác sáng tạo giữa các nghệ sĩ và nhà khoa học được tạo điều kiện bởi ARTlab Nottingham. Triển lãm sẽ kết hợp các cuộc điều tra sáng tạo và lý thuyết về các lỗ đen và sự ra đời của vũ trụ của chúng ta.

Theo: Quantum tornado provides gateway to understanding black holes (phys.org)