Ερευνητές μιμούνται τις μαύρες τρύπες στη Γη χάριν σε κβαντικές δίνες!

Χάρη στις τεράστιες βαρυτικές δυνάμεις, οι περιοχές γύρω από τις μαύρες τρύπες είναι βίαια και ταραχώδη περιβάλλοντα που καθοδηγούνται από Φυσική που δεν μπορεί να απαντηθεί πουθενά αλλού στο Σύμπαν. Στην πραγματικότητα, οι μαύρες τρύπες έχουν τέτοια επιρροή που, όταν περιστρέφονται, παρασύρουν μαζί τους και την ίδια τη δομή του χώρου. Με άλλα λόγια, κοντά σε μια μαύρη τρύπα, τίποτα δεν μένει ακίνητο.

Προφανώς, οι μαύρες τρύπες δεν μπορούν να μελετηθούν σε βάθος από τη Γη, αλλά μια ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Νότιγχαμ, έκανε το αμέσως επόμενο καλύτερο βήμα. Οι ερευνητές δημιούργησαν, για πρώτη φορά, μια στροβιλιζόμενη "κβαντική δίνη" σε ένα υπερρευστό ήλιο που ψύχεται σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Η συσκευή αυτή μιμείται ουσιαστικά μια μαύρη τρύπα.

Αυτό συμβαίνει επειδή ο κβαντικός ανεμοστρόβιλος δημιούργησε μικροσκοπικά κύματα στην επιφάνεια του υπερρευστού, το οποίο είναι ένα υλικό ικανό να εμφανίζει ροή χωρίς τριβές (ή απίστευτα χαμηλό ιξώδες) και άλλες εξωτικές συμπεριφορές που παρατηρούνται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Πρόκειται για συμπεριφορές που μιμούνται τις συνθήκες που βρίσκονται κοντά σε περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες.

"Η χρήση υπερρευστού ηλίου μας επέτρεψε να μελετήσουμε μικροσκοπικά επιφανειακά κύματα με μεγαλύτερη λεπτομέρεια και ακρίβεια από ό,τι με τα προηγούμενα πειράματά μας στο νερό", δήλωσε ο Patrik Svancara, επικεφαλής της ομάδας και ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Νότιγχαμ. "Καθώς το ιξώδες του υπερρευστού ηλίου είναι εξαιρετικά μικρό, μπορέσαμε να διερευνήσουμε σχολαστικά την αλληλεπίδρασή τους με τον υπερρευστό ανεμοστρόβιλο και να συγκρίνουμε τα ευρήματα με τις δικές μας θεωρητικές προβλέψεις".

Για να καταλάβουμε πώς μια υπερρευστή δίνη μπορεί να μοιάζει με μια μαύρη τρύπα, είναι σημαντικό να θυμηθούμε τι λέει η θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Einstein από το 1915 για τις μαύρες τρύπες. Η Γενική Σχετικότητα υποδηλώνει ότι ο χώρος και ο χρόνος αποτελούν μια ενιαία οντότητα που ονομάζεται χωροχρόνος και ότι η βαρύτητα προκύπτει όταν αντικείμενα με μάζα προκαλούν καμπύλωση του χωροχρόνου.

Οι μαύρες τρύπες δεν είναι στην πραγματικότητα αντικείμενα, αλλά είναι περιοχές του χωροχρόνου που δημιουργούνται από μια απείρως πυκνή και συμπαγή μάζα, μια κεντρική ιδιομορφία όπου οι ίδιοι οι νόμοι της Φυσικής καταρρέουν. Το εξωτερικό όριο αυτών των περιοχών χωροχρόνου ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων και αντιπροσωπεύει το σημείο στο οποίο ούτε το φως δεν είναι αρκετά γρήγορο ώστε να φτάσει την ταχύτητα διαφυγής της μαύρης τρύπας.

Οι μαύρες τρύπες έχουν μόνο τρία γνωστά χαρακτηριστικά: Ηλεκτρικό φορτίο, μάζα και στροφορμή ή "σπιν". Μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα, ή μια "μαύρη τρύπα Kerr", με γωνιακή ορμή παρασύρει επίσης τον ιστό του χωροχρόνου μαζί της προς την κατεύθυνση της περιστροφής της, ένα φαινόμενο γνωστό ως "σύρσιμο του πλαισίου" ή φαινόμενο Lense-Thirring από τους επιστήμονες που το πρότειναν πρώτοι.

Λαμβάνοντας υπόψη πώς το φαινόμενο Lense-Thirring αναγκάζει την ύλη γύρω από μια μαύρη τρύπα Kerr σε συνεχή κίνηση, είναι λογικό ότι μια δίνη σε ένα ρευστό, ή ίσως ένας ανεμοστρόβιλος στην ατμόσφαιρα, θα ήταν πολύ χονδρικά ανάλογη με μια τέτοια περιοχή του χωροχρόνου. Αλλά, αυτό που είναι το κλειδί με τη δίνη προσομοίωσης μαύρης τρύπας της ομάδας είναι ότι δεν βρίσκεται σε ένα οποιοδήποτε ρευστό. Φτιάχτηκε σε ένα υπερρευστό που έχει ψυχθεί στο απόλυτο μηδέν.

Για τη διεξαγωγή του πειράματός τους, η ομάδα κατασκεύασε ένα ειδικό κρυογενικό σύστημα ικανό να συγκρατεί αρκετά λίτρα ηλίου και να το ψύχει σε θερμοκρασίες κάτω από τους -271 βαθμούς Κελσίου. Αυτό είναι περίπου 3 με 4 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, που ισούται με -273,15 βαθμούς Κελσίου. Το απόλυτο μηδέν είναι θεωρητικά η ψυχρότερη δυνατή θερμοκρασία. Στο απόλυτο μηδέν, κάθε ατομική κίνηση θα σταματούσε.

Στις θερμοκρασίες που επιτεύχθηκαν με το πείραμα, το υγρό ήλιο αναπτύσσει κβαντικές ιδιότητες που συνήθως θα εμπόδιζαν το σχηματισμό γιγάντιων στροβίλων. Αυτό το σύστημα έδειξε πώς αυτό δεν μπορεί πραγματικά να παρακαμφθεί και η ομάδα κατασκεύασε τελικά έναν κβαντικό ανεμοστρόβιλο στο υπερψυχρό υπερρευστό χρησιμοποιώντας ένα πλήθος μικρότερων τμημάτων.

"Το υπερρευστό ήλιο περιέχει μικροσκοπικά αντικείμενα που ονομάζονται κβαντικές δίνες, οι οποίες τείνουν να απομακρύνονται μεταξύ τους", συνέχισε ο Svancara. "Στη διάταξή μας, καταφέραμε να περιορίσουμε δεκάδες χιλιάδες από αυτά τα κβάντα σε ένα συμπαγές αντικείμενο που μοιάζει με ένα μικρό ανεμοστρόβιλο, επιτυγχάνοντας μια ροή δίνης με δύναμη ρεκόρ στη σφαίρα των κβαντικών ρευστών".

Ο Svancara και οι συνεργάτες του βρήκαν συναρπαστικούς παραλληλισμούς μεταξύ του κβαντικού ανεμοστρόβιλου και του τρόπου με τον οποίο η βαρύτητα των μαύρων τρυπών επηρεάζει τον χωροχρόνο. Η ομάδα ελπίζει ότι το πείραμα θα ανοίξει έναν τρόπο για την ευρύτερη προσομοίωση της κβαντικής φυσικής εντός του καμπυλωμένου χωροχρόνου γενικά, και ακόμη και γύρω από τον καμπυλωμένο χωροχρόνο των μαύρων τρυπών.

"Όταν παρατηρήσαμε για πρώτη φορά σαφείς ενδείξεις της Φυσικής των μαύρων τρυπών στο αρχικό μας αναλογικό πείραμα το 2017, ήταν μια σημαντική στιγμή για την κατανόηση ορισμένων από τα παράξενα φαινόμενα που συχνά είναι δύσκολο, αν όχι αδύνατο, να μελετηθούν με άλλο τρόπο", εξηγεί στη δήλωση η Silke Weinfurtner, επικεφαλής του Black Hole Laboratory όπου αναπτύχθηκε και διεξήχθη το πείραμα αυτό. "Τώρα με το πιο εξελιγμένο πείραμά μας, έχουμε πάει αυτή την έρευνα στο επόμενο επίπεδο, το οποίο θα μπορούσε τελικά να μας οδηγήσει να προβλέψουμε πώς συμπεριφέρονται τα κβαντικά πεδία σε καμπυλωμένους χωροχρόνους γύρω από αστροφυσικές μαύρες τρύπες".

[via]