Физици успяха да наблюдават пряко феномен, съществуващ единствено в микросвета на квантовата механика – така наречената „ултраквантова“ турбулентност.

Успехът на експеримента може да обясни поведението на материята в редица екзотични среди – от свръхохладения течен хелий до недрата на неутронните звезди.

В класическата физика турбулентността описва хаотичните и нерегулярни движения в течности и газове. Като водовъртежите, които се образуват при разбъркване на течност в чаша.

При квантовите флуиди обаче важат съвсем различни природни закони

Когато подобна система бъде развълнувана, тя остава почти неподвижна в обема си, но в нея възникват фини, преплетени нишковидни вихри, които постепенно изчезват, докато средата възвърне равновесието си.

За да уловят явлението, Себастиан Морис и колегите му от Кеймбриджкия университет охлаждат хиляди калиеви атоми до температури, близки до абсолютната нула.

За целта използват прецизни лазерни системи и електромагнитни капани.

Така материята започва да функционира като изключително разреден квантов газ.

С помощта на същата апаратура изследователите оформят атомите в микроскопичен цилиндър с диаметър едва няколко десетки микрометра.

Чрез манипулиране на енергията и взаимодействията между частиците екипът провокира смущения, водещи до образуването на квантови вихри.

Тъй като заснемането на целия цилиндър би скрило сложната вътрешна структура, учените изолират само един тънък напречен срез с помощта на плосък лазерен лъч.

„Още щом видях първите кадри, разбрах, че сме постигнали пробив“, споделя Морис. „На изображенията ясно личат следите от вихровите линии, които пресичат изолирания срез.“

Чрез анализирането на поредица от кадри авторите проследяват как квантовите вихри се заплитат, разпадат, формират пръстени и постепенно мигрират към периферията, докато флуидът се успокоява.

Процесът показва поразителни прилики с динамиката в течния хелий

Квантов флуид със значително по-висока плътност и много по-силни взаимодействия между атомите.

Според Кристоф Айген, начинът, по който се установява ред в двете коренно различни системи, е практически идентичен.

Неговият колега Зоран Хаджибабич допълва, че това поведение е универсално и е характерно за широк клас квантови състояния, включително и в още по-екстремни среди.

Макар математическите модели за този тип турбулентност да съществуват от десетилетия, досега заснемането на триизмерни вихри бе изключително трудно, обясняват експертите.

Новият опит потвърждава теоретичните очаквания с категорични експериментални доказателства

Физикът Давиде Промент от Университета на Източна Англия определя постижението като забележително.

Според него бъдещите експерименти, насочени към едновременното заснемане на няколко последователни среза, ще разкрият още повече детайли от квантовата динамика – идея, по която екипът от Кеймбридж вече работи.

Универсалността на процеса отваря врати и към нови космически изследвания.

По думите на Газенцер сходна турбулентност вероятно протича и в ореолите от тъмна материя около неутронните звезди. Това би позволило на учените да тестват астрофизични хипотези директно в лабораторни условия.