量子龙卷风为理解黑洞提供了途径

December2017

巨型量子涡旋的两种不同构型的侧视图。来源：自然

（）据诺丁汉大学：科学家们首次在超流氦中创建了一个巨大的量子涡旋来模拟黑洞，这使他们能够更详细地观察模拟黑洞的行为以及与周围环境的相互作用。

诺丁汉大学领导的研究与伦敦国王学院和纽卡斯尔大学合作，创建了一个新颖的实验平台：量子龙卷风。他们在超流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。

通过对超流体表面中波动力学的观察，研究团队表明，这些量子龙卷风模拟了旋转黑洞附近的引力条件。这项研究已发表在《自然》杂志上。

该论文的主要作者、诺丁汉大学数学科学学院的Patrik Svancara博士解释道，“使用超流氦使我们能够比以前在水中的实验更详细、更准确地研究微小的表面波。由于超流氦的粘度极小，我们能够仔细研究它们与超流龙卷风的相互作用，并将这些发现与我们自己的理论预测进行比较。”

该团队建造了一个定制的低温系统，能够在低于-271°C的温度下容纳几升超流氦。在这个温度下，液氦获得了不同寻常的量子特性。这些特性通常会阻碍其他量子流体（如超冷原子气体或光的量子流体）中巨型涡旋的形成，该系统展示了超流氦的界面如何作为这些物体的稳定力。

Svancara博士继续说道，“超流氦含有被称为量子涡旋的微小物体，这些物体往往会相互分散。在我们的设置中，我们成功地将数万个量子限制在一个类似小型龙卷风的紧凑物体中，实现了量子流体领域破纪录强度的涡流。”

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。这一成就为在弯曲时空的复杂领域内模拟有限温度量子场论开辟了新的途径。

Silke Weinfurtner教授领导了这项实验所在的黑洞实验室的工作，他说：“当我们在2017年的首次模拟实验中首次观察到黑洞物理的清晰特征时，这是一个突破性的时刻，可以理解一些奇异的现象，如果不是不可能的话，否则研究这些现象往往很有挑战性。

“现在，通过我们更复杂的实验，我们将这项研究提升到了一个新的水平，这可能最终导致我们预测量子场在天体物理黑洞周围的弯曲时空中的行为。”

这项研究的高潮将于2025年1月25日至4月27日在诺丁汉大学湖畔艺术Djanogly画廊举行的名为“宇宙泰坦”的ambi展览中得到庆祝和创造性探索（并将前往英国和海外的场馆）。

展览将包括新委托的雕塑、装置和沉浸式艺术作品，这些作品由包括Conrad Shawcross RA在内的顶尖艺术家创作，由艺术家和科学家在诺丁汉艺术实验室的推动下进行了一系列创新合作。展览将结合对黑洞和我们宇宙诞生的创造性和理论探究。