Astrofísica
Recrean en laboratorio el comportamiento del espacio-tiempo junto a los agujeros negros
Un vórtice cuántico en un espacio controlado podría descubrir si hay túneles del tiempo hacia otros universos
Imagen del experimento de tornado cuántico en laboratorio. / UNIVERSIDAD DE NOTTINGHAM.
Los físicos han creado por primera vez en laboratorio un “tornado cuántico” a partir de helio líquido que puede replicar el comportamiento del espacio-tiempo y tal vez descubrir si se forman agujeros de gusano junto a los agujeros negros.
Científicos de la Universidad de Nottingham, en colaboración con King’s College London y la Universidad de Newcastle, han creado en laboratorio un vórtice cuántico dentro de helio superfluido a temperaturas extremadamente bajas.
El vórtice, una plataforma experimental, muestra propiedades físicas similares a las del enorme campo gravitacional de un agujero negro, informa el equipo en “Nature”, lo que permitirá observar con mayor detalle cómo se comportan e interactúan los agujeros negros análogos con su entorno cósmico.
En la Vía Láctea hay unos 100 millones de agujeros negros. Y se sabe que estos objetos de gran masa pueden doblar el espacio-tiempo y eventualmente abrir un túnel del tiempo hacia otros universos. Gracias a este experimento, podremos tal vez descubrir si esos agujeros de gusano existen realmente.
Escala cuántica
Un tornado cuántico es un fenómeno que ocurre en sistemas cuánticos, como el helio superfluido, a temperaturas cercanas al cero absoluto.
A diferencia de un tornado convencional, que se forma por la interacción de corrientes de aire caliente y frío, un tornado cuántico se forma en un fluido cuántico y es una manifestación de la mecánica cuántica a gran escala.
Los tornados cuánticos son importantes porque permiten estudiar los efectos de la mecánica cuántica en un entorno controlado.
Al observar cómo se comportan estos vórtices, los científicos pueden obtener información valiosa sobre la interacción de las partículas cuánticas y sobre cómo pueden influir en la comprensión de fenómenos astrofísicos.
Superfluido con vórtices
Para crear un tornado cuántico, los investigadores enfrían helio hasta convertirlo en superfluido, un estado de la materia con cero viscosidad en el que las partículas se comportan de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica. En este estado, el helio puede fluir sin resistencia, lo que permite la formación de vórtices estables.
Los científicos utilizan técnicas especiales para generar un vórtice en el superfluido. Este vórtice es análogo a un tornado, pero en lugar de aire, está compuesto por partículas cuánticas que giran alrededor de un punto central.
La rotación de estas partículas crea un flujo de vórtice con propiedades únicas que pueden ser estudiadas para entender mejor fenómenos complejos.
Modelo de agujeros negros
En el experimento de la Universidad de Nottingham, el tornado cuántico creado en helio superfluido sirvió como un modelo para estudiar la dinámica de los agujeros negros.
Al analizar las ondas superficiales generadas por el vórtice, los investigadores pudieron simular cómo la materia y la energía interactúan alrededor de un agujero negro en el universo.
El helio superfluido, enfriado a temperaturas inferiores a -271 °C, adquiere propiedades cuánticas inusuales que normalmente impiden la formación de vórtices gigantes en otros fluidos cuánticos. Sin embargo, la interfaz del helio superfluido actúa como una fuerza estabilizadora para estos objetos.
Mayor detalle
Patrik Svancara, autor principal del estudio, explica que el uso de helio superfluido ha permitido estudiar las minúsculas ondas superficiales con mayor detalle y precisión que en experimentos anteriores realizados en agua.
La viscosidad extremadamente baja del helio superfluido ha facilitado la investigación meticulosa de su interacción con el vórtice cuántico y la comparación de los hallazgos con proyecciones teóricas propias, añade.
En este experimento, los investigadores lograron confinar decenas de miles de cuantos en un objeto compacto que se asemeja a un pequeño tornado, logrando un flujo de vórtice con una fuerza sin precedentes en el ámbito de los fluidos cuánticos.
Este logro ha revelado paralelismos intrigantes entre el flujo de vórtice y la influencia gravitacional de los agujeros negros en el espacio-tiempo circundante.
Más precisión futura
Este logro representa un paso significativo hacia simulaciones más precisas de teorías cuánticas de campos a temperatura finita dentro del complejo ámbito de los espaciotiempos curvos, señalan los investigadores.
Además, marca un momento decisivo en la comprensión de algunos de los fenómenos más extraños y desafiantes que a menudo son difíciles, si no imposibles, de estudiar de otra manera, añaden.
El éxito de esta investigación allana el camino para una mayor exploración del comportamiento de los fluidos cuánticos y sus interacciones con fuerzas gravitacionales extremas, potencialmente conduciendo a predicciones más precisas en astrofísica, concluyen los autores de este trabajo.
Referencia
Rotating curved spacetime signatures from a giant quantum vortex. Patrik Švančara et al. Nature (2024). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-024-07176-8
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