Gigantické kvantové tornádo simuluje černou díru

Na černou díru si nejspíš jen tak nesáhneme. Fyzici to ale nehodlají vzdát a vytvářejí v laboratořích pozoruhodné analogie černých děr. Nejnovější z nich je masivní kvantové tornádo v supratekutém heliu, zchlazeném na teplotu blízkou absolutní nule. Vědci si od něj slibují předpovědi chování kvantových polí v zakřiveném časoprostoru kolem astrofyzikálních černých děr.

Aparatura na kvantové tornádo. Kredit: Leonardo Solidoro.

Fyzici si občas povzdechnou, že by bylo skvělé mít černou díru někde na dosah, abychom ji mohli pořádně prozkoumat ze všech stran. Plnohodnotnou gravitační singularitu asi jen tak zblízka neuvidíme, ale pokud jde o simulace černých děr a jevů, co s nimi souvisejí, je situace mnohem optimističtější.

Kvantové tornádo v detailu. Kredit: Leonardo Solidoro.

Patrik Švančara z University of Nottingham a jeho kolegové stvořili podivuhodné kvantové tornádo v supratekutém heliu, podchlazeném blízko k absolutní nule. Je to experimentální platforma, která napodobuje podmínky v blízkosti rotující černé díry.

Jak vysvětluje Švančara, použití supratekutého helia jim umožnilo studovat nepatrné vlny na povrchu ve větším detailu a přesněji než u předchozích experimentů, které používaly vodu.

Supratekuté helium má totiž extrémně nízkou viskozitu, což dovoluje velmi pečlivě zkoumat interakce s tornádem.

Patrik Švančara. Kredit: P. Švančara.

Švančarův tým postavil kryogenní systém, který pojme několik litrů supratekutého helia při teplotách nižších než -271 °C. Při takové teplotě má supratekuté helium zvláštní kvantové vlastnosti. Například obsahuje kvantové víry, které mají tendenci se od sebe vzdalovat. Vědcům se povedlo v jejich experimentu vytvořit z desítek tisíc takových kvantových vírů masivní kompaktní objekt, který připomíná tornádo. Dosáhli s ním rekordně silného proudění ve víru v říši kvantových kapalin.

Kvantové tornádo je pěkné samo o sobě. Švančara a spol. ale ještě navíc zjistili, že vír tohoto tornáda je pozoruhodně podobný vlivu gravitace rotujících černých děr na okolní časoprostor. Jejich výzkum by se mohl stát základem pro simulace v rámci teorií termálního kvantového pole v zakřivených časoprostorech.

Podle Švančarovy kolegyně Silke Weinfurtnerové dosáhli průlomu nejprve v roce 2017, kdy zjistili, že je možné vytvořit laboratorní obdobu černé díry, na které lze studovat některé bizarní jevy související s černými dírami. Teď mají k dispozici podstatně sofistikovanější platformu, která je posouvá na vyšší level, možná k předpovědím chování kvantových polí v zakřiveném časoprostoru kolem astrofyzikálních černých děr.

Video: Quantum-to-Classical Vortex Flow: Quantum Field Theory Dynamics in Rotating Curved Spacetimes