黑洞是宇宙中最極端的天體，其密度極高、引力極強(qiáng)，以至于連光都無(wú)法逃離它的吸引。黑洞的邊界被稱(chēng)為事件視界，通常被稱(chēng)為黑洞的“表面”，這個(gè)邊界內(nèi)的一切都將不可避免地被黑洞吸收至中心奇點(diǎn)，而永遠(yuǎn)無(wú)法逃脫。因此，黑洞在視覺(jué)上是一片黑暗，而外界無(wú)法直接觀測(cè)到其內(nèi)部。研究黑洞對(duì)于我們理解廣義相對(duì)論和量子力學(xué)至關(guān)重要，然而直接研究黑洞是一項(xiàng)困難的任務(wù)。

最近，發(fā)表于《自然》雜志上的一項(xiàng)研究在模擬黑洞效應(yīng)方面取得了重大突破。研究人員成功地在超流體中創(chuàng)建了一個(gè)“巨型量子渦旋”，模擬了旋轉(zhuǎn)黑洞周?chē)鷷r(shí)空的特征曲率。這一發(fā)展為進(jìn)一步了解極端引力環(huán)境下的量子力學(xué)提供了巨大的希望。

在極低溫下，氦會(huì)成為超流體。超流體是一種特殊的物質(zhì)狀態(tài)，其中原子或分子以一種幾乎無(wú)阻力的方式流動(dòng)。在超流體中存在著一種特殊的結(jié)構(gòu)：量子渦旋。這些渦環(huán)在超流體中具有重要的作用，可以通過(guò)不同的方法來(lái)研究和觀察。一般來(lái)說(shuō)，這些渦環(huán)會(huì)相互分開(kāi)并且不穩(wěn)定，但在新研究中，這些量子渦旋被限制在一個(gè)巨型量子渦旋中，它可以穩(wěn)定存在，這使我們能夠模仿旋轉(zhuǎn)黑洞附近的引力條件。

在模擬系統(tǒng)中，可以探索類(lèi)似黑洞的行為，例如彭羅斯超輻射和準(zhǔn)正態(tài)模振蕩等現(xiàn)象。通過(guò)微調(diào)速度、容器幾何形狀或動(dòng)態(tài)變化流參數(shù)等方式，可以在當(dāng)前系統(tǒng)中探索旋轉(zhuǎn)曲率時(shí)空中的關(guān)鍵過(guò)程。此外，還可以研究具有可調(diào)和真正量子化角動(dòng)量的旋轉(zhuǎn)曲率時(shí)空，這使得該系統(tǒng)與經(jīng)典液體有所不同。

在測(cè)量方面，研究者提出了一種微創(chuàng)方法，通過(guò)檢測(cè)在超流體界面?zhèn)鞑サ男〔ǎ瑥闹刑崛『暧^流動(dòng)參數(shù)。他們利用適應(yīng)性傅立葉變換剖面測(cè)量技術(shù)，能夠在空間和時(shí)間上同時(shí)具有足夠的分辨率來(lái)解析流體界面的高度波動(dòng)。通過(guò)對(duì)高度波動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行離散傅立葉變換，可以提取出不同的方位模式。同時(shí)，通過(guò)在時(shí)間上進(jìn)行變換，可以研究波動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性。

研究結(jié)果表明，只有一定頻率的波才能在界面上傳播，這些波在穩(wěn)態(tài)下通過(guò)阻尼和散射來(lái)耗散能量。他們通過(guò)解方程，確定了在給定半徑、方位數(shù)和背景速度下傳播的最低頻率，利用這一頻率提取了底層速度場(chǎng)。通過(guò)對(duì)多個(gè)渦流配置進(jìn)行重建，他們發(fā)現(xiàn)界面波與幾乎完全環(huán)流的流動(dòng)相互作用，這種流動(dòng)具有特定的徑向速度分布。

重要的是，這不是一個(gè)字面意義上的微型黑洞。相反，這是一個(gè)精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，它復(fù)制了黑洞對(duì)時(shí)空影響的特定方面。雖然復(fù)制真實(shí)黑洞的全部復(fù)雜性仍然是一個(gè)遙遠(yuǎn)的目標(biāo)，但這項(xiàng)工作為更深入地理解這些神秘物體和時(shí)空的基本性質(zhì)打開(kāi)了大門(mén)。在可控環(huán)境中研究這些現(xiàn)象的能力對(duì)未來(lái)基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)具有巨大的潛力。