Vedci vytvorili „kvantové tornádo“, aby napodobnili čierne diery. Na výskume z Nature robil aj slovenský fyzik

Keď laik vypúšťa vaňu, vidí len obyčajný vír. No fyzikom ako Patrikovi Švančarovi sa vybavia aj najextrémnejšie objekty v známom vesmíre. „Prúdenie okolo víru vo vani simuluje zakrivený priestoročas rotujúcej čiernej diery,“ vraví fyzik, ktorý pôsobí na univerzite v Nottinghame.

Patrik Švančara a jeho kolegovia vytvorili obdobný vír, aký poznáme z vane, ale na jeho tvorbu využili supratekuté hélium. Výsledkom bolo obrovské kvantové tornádo.

Skúmanie tohto javu umožňuje lepšie pochopiť aj rotujúce čierne diery.

Štúdia o prelomovom experimente vyšla minulý týždeň v top vedeckom časopise Nature. Experimentálny fyzik Patrik Švančara bol hlavným autorom štúdie a jeho podiel na výskume je podstatný.

Hlboké prepojenie

Čierna diera predstavuje formu konečného štádia hviezdy. Súčasná fyzika vie dobre opísať to, čo sa deje v čiernej diere s výnimkou takzvanej singularity, akéhosi maximálne hmotného bodu.

Okolo singularity existuje okraj či hranica, ktorá sa nazýva „horizont udalostí“. Všetko, čo túto hranicu prekročí, nemôže zo statickej čiernej diery uniknúť.

Rotujúce čierne diery to majú inak. „Už v 70. rokoch sa objavila predpoveď, že ak do týchto čiernych dier pošlete niektoré vlny, dokážu sa od nich odraziť a zosilnieť,“ vysvetlil Patrik Švančara. „Pre rotujúce čierne diery tak neplatí to, čo platí pre tie statické – že pohltia všetku hmotu.“

Uvedená schopnosť odrážať vlny sa odborne nazýva superradiancia.

Výskum fyzikálnych javov v okolí ergosféry (vonkajší horizont obklopujúci rotujúce čierne diery) tak Patrik Švančara a jeho kolegovia preniesli do laboratória.

V ňom uviedli supratekuté hélium do stavu kvantového tornáda a na povrchu tekutiny skúmali šírenie vĺn. „Prepojenie medzi vírom a rotujúcou čiernou dierou je hlboké – hydrodynamické rovnice pre šírenie vĺn na povrchu nášho experimentu so supratekutým héliom možno prepísať do tvaru, ktorý opisuje šírenie vĺn v zakrivenom časopriestore,“ hovorí experimentálny fyzik Patrik Švančara.

Dva stupne Celzia od absolútnej nuly

Existujú dva stabilné izotopy hélia, hélium-3 a hélium-4. „Hélium-3 možno ochladiť na omnoho nižšie teploty ako hélium-4, čo bolo pre účel nášho experimentu zbytočné,“ vysvetľuje Patrik Švančara.

Hélium-3 ochladené na teplotu okolo 1 milikelvina používajú iní vedci na výskum fyzikálnych procesov tesne po veľkom tresku.

Švančara a jeho tím použili hélium-4. Látku ochladili na teplotu 1,95 kelvina, čo je mínus 271 stupňov Celzia, zhruba dva stupne Celzia od absolútnej nuly.

Pri tejto teplote sa hélium mení na supratekutú látku s takmer nulovou viskozitou, čiže vnútorným trením. „V porovnaní s vodou malo supratekuté hélium, s ktorým sme pracovali, viac ako stokrát nižšiu viskozitu,“ vraví Švančara.

Z malých vírov vytvorili tornádo

Na dne nádoby s héliom bola rotujúca vrtuľa, ktorá v supratekutej látke vytvorila vír podobný tornádu.

Vytvoriť jeden veľký vír je náročné, keďže v supratekutých látkach sa bežne tvoria „malé víry“, odborne kvantá, ktoré sa od seba zvyknú vzďaľovať. „Nám sa podarilo spojiť niekoľko desiatok tisíc takýchto kvantovaných vírov do jedného objektu. Tak vznikol veľký vír pripomínajúci tornádo, ktorý sa správa ako jeden veľký niekoľkokrát kvantovaný objekt,“ hovorí Patrik Švančara.

Vzniknuté tornádo malo v priemere niekoľko milimetrov a išlo o rekordne silný vír, ktorý sa predtým v supratekutých látkach nikdy nepozoroval. Ak by vír nebol dostatočne veľký, interakcie medzi ním a povrchovými vlnami v nádrži by sa nedali skúmať.

Keď sa vrtuľa v nádobe s héliom otáčala, vytvárala mechanické vibrácie. „Pri trasení sa na povrchu supravodivého hélia vytvárali vlnky rôznych vlnových dĺžok – podobne ako sa na hladine jazera vytvoria vlnky, keď do vody hodíte kameň,“ vysvetľuje Patrik Švančara. „Z nich najsilnejšie boli stojaté vlny, ktoré vznikali medzi stenou nášho experimentu a víru,“ dodáva vedec.

Povrch supratekutého hélia sa snímal vysokorýchlostnou kamerou. Výhodou takého dizajnu je, že merania nevyžadujú zásah do experimentu, ktorý by ho prerušil. „Priebeh experimentu vieme sledovať v čase,“ dodal ešte Švančara.

Vír odrážal vlny

Experiment ukázal, že centrálny vír fungoval ako svojho druhu zrkadlo a odrážal vlny. „Ide o základ superradiancie, javu známeho z rotujúcich čiernych dier,“ vraví fyzik Švančara.

„Ukázali sme, že vzniknuté vlny sa v blízkosti víru správali rovnako, ako keby sa pohybovali zakriveným časopriestorom, čo nám umožňuje experimentálne skúmať procesy v okolí rotujúcich čiernych dier,“ hovorí vedec. „Prúdenie víru bolo kompatibilné s efektívnym opisom zakriveného priestoročasu,“ dodáva.

Podľa fyzika Jeffa Steinhauera, ktorý na výskume nepracoval, vedci „vzali zavedenú a klasickú techniku supratekutého hélia a urobili s ňou niečo naozaj nové, čím významne zvýšili technologické možnosti v porovnaní s tým, čo sa robilo v minulosti,“ povedal pre New Scientist vedec z Technionu, izraelského technologického inštitútu.

Vyrobili simulátor čiernych dier

V nameraných údajoch vedci pozorovali aj možné náznaky javu zvaného ringdown. „Keď dve čierne diery splynú do jednej, výsledná čierna diera má viac energie, ako je jej rovnovážny stav, takže nadbytočnú energiu vyžiari,“ vysvetľuje Švančara a dodáva, že ako ringdown sa označuje uvedené vyžiarenie.

Podľa fyzika existuje teoretická predpoveď, na akých frekvenciách by čierna diera mala vyžarovať uvedenú extra energiu. „Pozorovali sme zosilnenú oblasť vlnenia práve tam, kde sa predpovedá ringdown.“

Nový výskum z Nature dokazuje, že Patrikovi Švančarovi a jeho kolegom sa podarilo vyrobiť simulátor čiernych dier alebo prinajmenšom simulátor zakrivených priestoročasov.

V budúcnosti by experiment chceli využiť na výskum toho, ako sa kvantové polia správajú v zakrivenom časopriestore v okolí čiernych dier.

Od vody k supratekutému héliu

Prvý experiment, ktorý v laboratórnych podmienkach simuloval fyziku čiernych dier, realizovali na univerzite v Nottinghame v roku 2017.

„Bol to prelomový moment pre pochopenie niektorých bizarných javov, ktoré je často náročné, ak nie nemožné skúmať inak,“ povedala fyzička Silke Weinfurtnerová, spoluautorka novej štúdie z Nature a vedúca Švančarovej skupiny.

Na počiatku sa v miestnom laboratóriu pracovalo s vodou, ale využitie supratekutého hélia umožňuje vyrobiť vír, ktorý sa viac podobá na skutočné čierne diery.

„Keď som pred zhruba dvomi rokmi prišiel na univerzitu v Nottinghame, mojou úlohou bolo postaviť experiment, ktorý zopakuje výsledky namerané vo vode a nejakým spôsobom ich rozšíri, keďže hélium má veľmi nízku viskozitu a navyše aj neštandardné kvantové vlastnosti,“ hovorí Patrik Švančara.

Veľký úspech

Rodák z Trenčína Patrik Švančara vyštudoval Karlovu univerzitu v Prahe, kde sa zameral na nízkoteplotnú fyziku. Na univerzite v Nottinghame, kde pôsobí ako začínajúci vedecký pracovník (postdok), využili jeho know-how, aby spravil dizajn celého experimentu.

„Prvý rok sme sa hrali s tým, ako celý experiment postaviť a ako schladiť hélium na dva kelviny. Nasledoval výskum toho, ako stabilizovať vír či ako detegovať vlny na povrchu hélia,“ vraví Švančara.

Do časopisu Nature podľa neho poslali svoj výskum preto, lebo „sme postavili aparatúru s unikátnymi vlastnosťami a chceli sme, aby sa o nej dozvedelo čo najviac ľudí z našej komunity“.

Nature patrí medzi najprestížnejšie vedecké žurnály a vydá len 8 % zo zaslaných rukopisov (aj odmietnuté rukopisy majú vysokú kvalitu, takže sa selektujú iba najlepší z najlepších).

Obvykle sa uvádza, že tento časopis vydáva len učebnicové poznatky. „To, že sa nám experiment podaril a informovali sme o ňom v Nature, považujeme za veľmi veľký úspech,“ vraví Patrik Švančara.

Dostupné z: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07176-8