黑洞，是宇宙中最神奇的存在。它有著極端的引力，就算是光，一旦越過它的事件視界，都無法逃脫。顯然，我們無法將黑洞拖到地球上來研究。那麼，我們是否可以在實驗室中，創造出模擬黑洞的實驗，從而探索黑洞物理學呢？
2017年，物理學家Silke Weinfurtner與他的合作者通過實驗發現，由旋轉的渦旋散射產生的水波，可以表現出旋轉超輻射——一種被預測可能發生在黑洞中，但此前從未在實驗室中實現過的效應。這是研究人員首次在模擬實驗中，觀測到黑洞物理學的清晰特徵。
現在，在一項新發表於《自然》雜誌的研究中，Weinfurtner與他的同事通過更復雜的實驗設置，將這一成就提升到了一個新的水平。他們利用超流體⁴He，創建了一個新的實驗平臺——量子龍捲風。通過觀察超流體表面的微小波動動力學，研究人員證明了這些量子龍捲風模擬了旋轉的黑洞附近的引力情況。
巨大的量子渦旋
在寒冷的冬天，當溫度下降時，水蒸氣會變成水，水又變成冰。經典物理學可以對這些所謂的相變和物態的變化，進行粗略地描述和理解。當溫度下降時，氣體、液體和固體中的隨機熱運動就停止了。
但是，當溫度進一步下降，接近絕對零度（-273.15℃）時，情況就完全不同了。在這樣的低溫狀態下，液氦會表現出所謂的超流性，這是一種無法用經典物理學來解釋的現象。當液體變成超流體時，它的原子會突然間失去所有的隨機性，在每次運動中都以協調的方式運動。這就導致液體沒有了內摩擦：它可以溢出杯子，從非常小的孔動流出，還會表現出一系列其他非經典效應。
在新的實驗中，研究人員創建了一個定製的低溫系統，這個系統可以容納幾升液氦，並將其冷卻到-271℃以下。在如此低的溫度下，液氦會獲得一些不尋常的量子特性。這些特性通常會阻礙巨大的渦旋在如超冷原子氣體等其他量子流體中形成。
左：研究團隊使用的實驗裝置。右：研究團隊在超流氦中產生的量子龍捲風。（圖/Leonardo Solidoro）
在這項新的研究中，論文的一作Patrik Svancara解釋說：「超流氦中包含許多微小的量子渦旋，這些渦旋傾向於彼此分開。在我們的裝置中，我們成功地將成千上萬個這樣的量子渦旋限制在一個類似小型龍捲風的渦旋團簇中，因而在量子流體領域實現了一個打破強度紀錄的渦旋。」
Svancara解釋道：「使用超流氦使我們能夠比以前在水中進行的實驗更詳細、更準確地研究微小的表面波。由於超流氦的黏度非常小，我們能夠細緻地分析它們與超流龍捲風的相互作用，並將結果與我們自己的理論預測進行比較。」
觀察黑洞的新途徑
研究人員發現，這種渦旋與黑洞對周圍時空的引力影響，有著有趣的相似之處。通過研究這種渦旋，他們可以更詳細地觀察模擬黑洞的行為，以及模擬黑洞與周圍環境的相互作用，為在複雜的彎曲時空中模擬有限溫度的量子場論開闢了新的途徑。
#創作團隊：
編譯：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.nottingham.ac.uk/news/quantum-tornado-provides-gateway-to-understanding-black-holes
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07176-8
https://www.nature.com/articles/nphys4151
#圖片來源：
封面圖&首圖：nottingham.ac.uk