욕조에 물을 넣거나 커피에 크림을 섞어본 사람이라면 누구나 소용돌이를 본 적이 있는데 이것은 유체가 순환할 때 나타나는 어디에나 나타나는 현상이다. 그러나 물과 달리 양자역학의 이상한 규칙에 의해 지배되는 유체에는 특별한 제한이 있다. 노벨상 수상자인 라스 온사거가 1945년에 처음 예측한 것처럼 양자 유체의 소용돌이는 정수 단위로만 뒤틀릴 수 있다.
이러한 회전 구조는 양자 시스템에서 블랙홀에 이르는 모든 것을 연구하는 데 널리 쓰일 것으로 예측된다. 그러나 가장 작은 양자 소용돌이, 즉 한 단위의 회전을 여러 시스템에서 볼 수 있지만 더 큰 소용돌이는 불안정하다. 과학자들은 더 큰 소용돌이에게 스스로를 고정시키려 했지만 결과는 엇갈렸다. 소용돌이가 형성된 후 사용된 방법의 심각성은 일반적으로 그 효용을 해칠 수 있다.
이제 케임브리지 대학의 새뮤얼 알페린과 나탈리아 벌로프 교수는 거대한 양자 소용돌이가 안정적일 뿐만 아니라 거의 균일한 다른 유체에서 스스로 형성되는 이론적 메커니즘을 발견했다. 이 발견은 옵티카(Optica)에 실렸으며 이 실험은 거대한 양자 소용돌이와 비슷한 점이 있는 회전하는 블랙홀의 성질을 이해하는 데 단서를 제공할 수 있는 실험의 길을 열어줄 수 있을 것이다.
이를 위해 연구진은 편광자라고 불리는 빛과 물질의 양자 혼합체를 사용했다. 이 입자들은 레이저를 특수한 물질에 비추어 형성된다. 알페린 케임브리지대 응용수학 및 이론물리학과 박사과정 학생은 "빛이 층에 갇히면 빛과 물질은 떼려야 뗄 수 없게 되고 생성된 물질은 빛이나 물질과 다른 것으로 간주하면서 두 가지 특성을 물려받아 더욱 현실적"이라고 말했다.
편광자의 가장 중요한 특성 중 하나는 빛이 영원히 갇힐 수 없다는 단순한 사실에서 나온다. 고밀도의 특이 입자를 필요로 하는 편광자 유체는 끊임없이 빛을 몰아내고 살아남기 위해 레이저로부터 신선한 빛을 얻어야 한다. "그 결과 절대 가라앉을 수 없는 유체가 된다. 에너지 보존과 같은 물리학의 기본적인 제한을 따르지 않아도 된다. 여기서 에너지는 유체 동역학의 일부로 바뀔 수 있다."라고 알페린은 말했다.
연구원들은 이 액체 상태의 빛들이 종잡을 수 없는 거대한 소용돌이를 만드는 데 이용했다. 새 제안은 분극자 유체 자체에 레이저를 비추는 것이 아니라 빛이 고리 모양으로 만들어져 물이 욕조 배수구로 흘러가는 것과 비슷하게 안쪽으로 계속 흐르도록 하는 것이다. 그 이론에 따르면, 이 흐름은 모든 회전을 거대한 소용돌이로 집중시키기에 충분하다.
알페린은 "거대한 소용돌이가 연구와 기술에 적합한 조건에서 존재할 수 있다는 것은 놀랍지만 실제로 극자의 유체 동역학이 더 잘 연구된 양자 유체와 얼마나 철저하게 다른지를 보여주는 것일 뿐"이라며" 흥미로운 분야"라고 말했다.
연구진은 거대 양자 소용돌이에 대한 그들의 연구가 이제 막 시작되었다고 밝혔다. 그들은 여러 개의 양자 소용돌이의 충돌을 시뮬레이션할 수 있는데 그것들이 서로 충돌하여 블랙홀 충돌과 비슷한 거대한 소용돌이를 형성할 때까지 점점 더 빠르게 서로를 둘러싸고 춤을 추기 때문이다. 또한, 그들은 소용돌이의 최대 크기를 제한하는 불안정성을 설명하고 동시에 소용돌이 동작의 복잡한 물리학을 탐구했다.
"이 구조에는 흥미로운 음향 특성이 있다. 회전에 따라 음향 공명이 있기 때문에 마치 자신에 대한 정보를 노래하는 것 같다."라고 알페린은 말했다." 수학적으로, 이것은 회전하는 블랙홀이 자신의 속성에 대한 정보를 복사하는 방식과 비슷한다. "
연구원들은 이 유사성이 양자 유체 동역학 이론에 대한 새로운 인식을 가져다 주기를 희망하지만 극자가 블랙홀의 행동을 연구하는 데 유용한 도구가 될 수 있다고 밝혔다.
출처: cnBeta.COM
