量子龙卷风：理解黑洞的门户

科学家首次创造了一个巨大的量子涡旋，模拟了超流态氦中的黑洞，从而让他们能够更详细地观察类似黑洞的行为以及其与周围环境的相互作用。

诺丁汉大学领导的研究小组与伦敦国王学院和纽卡斯尔大学合作，创造了一个新颖的实验平台：量子龙卷风。他们在冷却到最低温度的超流态氦中创建了一个巨大的旋转漩涡。通过观察超流体表面上微小的波动动态，研究团队展示了这些量子龙卷风模仿了旋转黑洞附近的引力条件。该研究已经发表在《自然》杂志上。

研究论文的主要作者、来自诺丁汉大学数学科学学院的帕特里克·斯万卡拉博士解释说：“使用超流态氦使我们能够比以往在水中进行的实验更详细和准确地研究微小的表面波动。由于超流态氦的粘度极小，我们能够精心研究它们与超流态龙卷风的相互作用，并将研究结果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，可以容纳数升低于-271°C温度的超流态氦。在这种温度下，液态氦会获得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子量子流体）中巨大涡旋的形成，而这个系统展示了超流态氦界面对这些物体的稳定作用。

斯万卡拉博士继续说道：“超流态氦含有称为量子涡旋的微小物体，它们倾向于彼此分开。在我们的设备中，我们成功地将数以万计的这些量子约束在一个类似小龙卷风的紧凑物体中，实现了在量子流体领域创纪录强度的涡流。”

研究人员发现了旋涡流动和黑洞对其周围时空的引力影响之间的有趣相似之处。这一成就为复杂曲率时空中的有限温度量子场理论模拟开辟了新途径。

领导这项实验的黑洞实验室工作的西尔克·韦因富特纳教授强调了这项工作的重要性：“当我们在2017年首次观察到我们最初的类比实验中明显的黑洞物理迹象时，这是理解一些奇怪现象的突破时刻，这些现象通常很难，甚至是不可能研究的。现在，通过我们更复杂的实验，我们将这项研究推向了一个新的水平，这最终可能会让我们预测出量子场在天体黑洞周围的曲率时空中的行为。”

这项开创性的研究得到了英国科学技术设施委员会500万英镑的资助，资金分配给了英国七所领先的机构团队，包括诺丁汉大学、纽卡斯尔大学和伦敦国王学院。该项目还得到了英国研究创新委员会网络基金关于基础物理量子模拟器以及西尔克·韦因富特纳教授所获的利弗莫研究领袖奖的支持。

这项研究的成果将在2025年1月25日至4月27日在诺丁汉大学达诺格利画廊艺术展“宇宙巨人”中得到庆祝并得到创造性的探索（并巡回到英国和海外的场馆）。该展览将由ARTlab Nottingham促进的一系列创新艺术家和科学家合作所产生的新委托雕塑、装置和沉浸式艺术作品组成。该展览将结合对黑洞和我们宇宙诞生的创造性和理论性探讨。