任何在浴缸里放過水或在咖啡里攪拌過奶油的人都見過旋渦，這是流體循環(huán)時(shí)出現(xiàn)的一種無處不在的形成。但跟水不同的是，受量子力學(xué)奇怪規(guī)則支配的流體有一個(gè)特殊的限制：正如諾貝爾獎(jiǎng)得主Lars Onsager在1945年首次預(yù)測的那樣，量子流體中的旋渦只能以整數(shù)單位扭曲。

　　這些旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)被預(yù)測為對(duì)研究從量子系統(tǒng)到黑洞的一切都有廣泛的用途。但雖然在許多系統(tǒng)中已經(jīng)看到了最小的可能的量子漩渦即一個(gè)單位的旋轉(zhuǎn)，但更大的漩渦并不穩(wěn)定。雖然科學(xué)家們曾試圖強(qiáng)迫更大的旋渦將自己固定在一起，但結(jié)果卻喜憂參半：當(dāng)旋渦形成后所使用的方法的嚴(yán)重性通常會(huì)破壞其效用。

　　現(xiàn)在，來自劍橋大學(xué)的Samuel Alperin和Natalia Berloff教授發(fā)現(xiàn)了一種理論機(jī)制，通過這種機(jī)制，巨大的量子渦旋不僅穩(wěn)定并且在其他接近均勻的流體中自行形成。這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《Optica》上，它可能為實(shí)驗(yàn)鋪平道路，這些實(shí)驗(yàn)可能為了解跟巨型量子漩渦有相似之處的旋轉(zhuǎn)黑洞的性質(zhì)提供了線索。

　　為了做到這一點(diǎn)，研究人員使用了一種光和物質(zhì)的量子混合體，稱為偏振子。這些粒子通過將激光照射到特殊的分層材料上形成。劍橋大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)和理論物理系的博士生Alperin說道：“當(dāng)光被困于層中時(shí)，光和物質(zhì)變得不可分割，并且把所產(chǎn)生的物質(zhì)看成是與光或物質(zhì)不同的東西，與此同時(shí)繼承了兩者的特性，這就變得更加實(shí)際了。”

　　偏振子最重要的特性之一來自于一個(gè)簡單的事實(shí)，即光不可能永遠(yuǎn)被困住。一個(gè)需要高密度的奇異粒子的偏振子流體會(huì)不斷地驅(qū)逐光線，并需要從激光器中獲得新鮮的光線來生存。“其結(jié)果是一種永遠(yuǎn)不允許沉淀的流體，它不需要遵守通常是物理學(xué)中的基本限制如能量守恒。在這里，能量可以作為流體動(dòng)力學(xué)的一部分而改變，”Alperin說道。

　　研究人員正是利用了這些不斷流動(dòng)的液態(tài)光使難以捉摸的巨大漩渦得以形成。新建議不是將激光照射在極化子流體本身，而是將光塑造成一個(gè)環(huán)狀進(jìn)而形成一個(gè)持續(xù)的向內(nèi)流動(dòng)，這類似于水流向浴缸排水口的方式。根據(jù)該理論，這種流動(dòng)足以將任何旋轉(zhuǎn)集中到一個(gè)巨大的漩渦中。

　　Alperin說道：“巨大的旋渦真的可以在適合其研究和技術(shù)使用的條件下存在，這相當(dāng)令人驚訝，但實(shí)際上它只是表明極子的流體動(dòng)力學(xué)跟研究得更充分的量子流體有多么徹底的不同。這是一個(gè)令人興奮的領(lǐng)域。”

　　研究人員表示，他們對(duì)巨型量子漩渦的研究才剛剛開始。他們能模擬幾個(gè)量子漩渦的碰撞，因?yàn)樗鼈円栽絹碓娇斓乃俣葒@著對(duì)方跳舞，直到它們碰撞形成一個(gè)類似于黑洞碰撞的巨大漩渦。另外，他們還解釋了限制最大旋渦尺寸的不穩(wěn)定性，并與此同時(shí)探索了旋渦行為的復(fù)雜物理學(xué)。

　　“這些結(jié)構(gòu)有一些有趣的聲學(xué)特性：它們有取決于其旋轉(zhuǎn)的聲學(xué)共振，所以它們有點(diǎn)像在唱關(guān)于自己的信息，”Alperin說道，“在數(shù)學(xué)上，這跟旋轉(zhuǎn)的黑洞輻射有關(guān)其自身屬性的信息的方式相當(dāng)類似。”

　　研究人員希望這種相似性能夠帶來對(duì)量子流體動(dòng)力學(xué)理論的新認(rèn)識(shí)，但他們也表示，極子可能是研究黑洞行為的一個(gè)有用工具。