Hogyan szimuláljunk fekete lyukat vízcseppel?

Mi a közös egy vízcseppben, egy fekete lyukban és egy atomban? Akár hiszik, akár nem egy lebegtetett vízcseppel szimulálható mind a kozmológiai, mind a szubatomi objektum.

A brit Nottingham Egyetem tudósai, Richard Hill és Laurence Eaves a vízcseppekhez fordult, mivel a cseppeket összetartó felületi feszültség más erők modellezéséhez is használható.

Például egy fekete lyuk esemény-horizontjára is sokszor tekintenek úgy, mint egy felületi feszültséggel rendelkező "kifeszített" membrán, ugyanakkor hasonló erők tartják össze az atomokat is. Ezért a vízcseppel végzett kísérletek olyan rendszerekbe is betekintést nyújthatnak, amik laboratóriumban nem kontrollálhatók. A brit páros az úgynevezett diamágnesességet használta a lebegtetéshez, vagyis egy külső mágneses mezőt alkalmazott a vízcseppeken, amik egy saját ellentétes mágneses mezőt hoztak létre. Az így keletkező taszító erő elég nagy volt, hogy leküzdje a gravitációt. Innen már csak egy lépés volt hátra, meg kellett forgatni a vízcseppeket, amit két parányi elektródával értek el.

"Mindenekelőtt szerettük volna szokatlan körülmények között megfigyelni az amúgy hétköznapi folyadékot. Ebben a kísérletben földi körülmények között sikerült egyfajta súlytalanságban lebegtetnünk a cseppeket, illetve egy kis elektromossággal megforgatni azokat, gyakorlatilag egy elektromos motorrá változtatva a vízcseppet" - magyarázta Hill. "Azért érdekesek ezek az eredmények, mert egy 'emberi' léptékekkel szemlélhető, súlytalanságban forgó vízcsepp betekintést nyújthat egészen parányi, ugyanakkor kozmológiai méreteken zajló folyamatokba is. Reményeink szerint ezzel a szabad szemel is jól megfigyelhető kísérlettel segítséget nyújthatunk az ennél sokkal különlegesebb objektumok, mint a fekete lyukak vagy az atommag működését vizsgáló kutatótársaink számára."

Hill és Eaves megfigyelték, hogy amint egy 1 centiméter átmérőjű vízcsepp elérte a másodpercenkénti 3 fordulatot, alakja felülről nézve háromszögletűvé változott. Ilyen hatást még soha nem észleltek laboratóriumban.


A New Scientist videója a víz különös viselkedéséről
A tudósokat régóta érdeklik a forgó vízcseppek. Az első kísérlet 1863-ra nyúlik vissza, amikor egy belga fizikus, Joseph-Antoine-Ferdinand Plateau egy csepp olívaolajat lebegtetett egy azonos sűrűségű víz-alkohol keverékben. A forgatáshoz egy rúdra helyezte a fenti elemeket tartalmazó edényét, majd megfigyelte, hogyan változtatja alakját az olajcsepp. Pólusainál ellaposodást, egyenlítőjénél pedig kidudorodást figyelt meg, ami nagyban hasonlít a forgó Földhöz.

Nemrég lezajlott kísérletek bebizonyították, hogy a csepp alakja forgási sebességének függvényében változik. A torzulás oka az, hogy a csepp az adott forgási frekvenciához szükséges legalacsonyabb energiaállapotot keresi, és ehhez az adott sebességhez kapcsolható legideálisabb alakot veszi fel. Eddig csak az elméletek vetítették elő a britek által a gyakorlatban is elért háromszög alakot, igazolni korábban nem sikerült egyértelműen; az alkalmazott technikák ugyanis nagyon magas vibrációt adtak a cseppeknek, ezért a megfigyelések nem voltak egyértelműek. Ugyanakkor elméletileg egy csepp négyszög alakúvá is válhat nagyobb forgási sebességen, ez azonban már instabil, és könnyen átbillen egy ellipszoid alakba.

"Munkájukkal egy egyszerű asztali kísérletben sikerült reprodukálniuk a folyadék dinamika 100 évnyi kutatásait" - összegzett Vitor Cardoso, a Mississippi Egyetem kutatója.