Chytrý fyzikální experiment, který produkuje „něco z ničeho“

Nová teorie „objevuje“ světlo v temnotě prázdnoty.

Černé díry jsou oblasti v časoprostoru s velkým množstvím gravitace. Vědci si původně mysleli, že nic nemůže uniknout omezením těchto masivních objektů, včetně světla.

Přesná povaha černých děr byla zpochybněna, protože obecná teorie relativity Alberta Einsteina vedla k možnosti jejich existence. Mezi nejznámější objevy patřila předpověď anglického fyzika Stephena Hawkinga, že některé částice jsou skutečně emitovány na okraji Černá díra.

Fyzici také zkoumali, jak funguje vakuum. Na začátku 70. let, když Hawking popisoval, jak může světlo uniknout gravitační síle černé díry, kanadský fyzik William Unruh navrhl, že fotodetektor zrychlující se dostatečně rychle by mohl „vidět“ světlo ve vakuu.

Nový výzkum z Dartmouthu tyto teorie prohlubuje tím, že podrobně popisuje metodu produkce a detekce světla, které bylo dříve považováno za nepozorovatelné.

„V navrhovaném experimentu, který je zde zobrazen, je syntetický diamantový film velikosti poštovní známky obsahující fotodetektory na bázi dusíku zavěšen v podchlazené kovové krabici, která vytváří vakuum. Membrána, která funguje jako připoutaná trampolína, je urychlována exponenciální rychlostí, produkující fotony Uznání: Animace LaDarius Dennison / Dartmouth College

Miles Blencoe, významný profesor fyziky na Dartmouth University, a Eleanor A. „Vytvořili jsme v podstatě něco z ničeho; myslet na to je velmi cool.“

V klasické fyzice se vakuum považuje za nepřítomnost hmoty, světla a energie. V kvantové fyzice není prázdnota prázdná, ale vyplněná fotony, které kolísají a zanikají. Takové světlo je však téměř nemožné změřit.

Jedna část Einsteinovy ​​obecné teorie relativity, „princip ekvivalence“, vytváří spojení mezi Hawkingovou předpovědí záření černých děr a Unruhovou předpovědí urychlujících fotodetektorů, které vidí světlo. Ekvivalence říká, že gravitace a zrychlení jsou v zásadě nerozeznatelné: osoba ve zrychlujícím se výtahu bez oken by nebyla schopna určit, zda na něj působila gravitace, setrvačnost nebo obojí.

Pokud tedy gravitace černé díry dokáže vytvořit fotony ve vakuu, mohou být také urychleny.

Věda již ukázala, že pozorování světla ve vakuu je možné, se tým Dartmouth rozhodl najít praktický způsob detekce fotonů.

Miles Blinko z Dartmouthu, profesorka Eleanor a A. Kredit: Robert Gill/Dartmouth College

Dartmouth Research Theory, publikovaná v Nature Research’s Komunikační fyzika, předpovídá, že defekty na bázi dusíku v urychlené diamantové membráně mohou vést k detekci.

V navrhovaném experimentu byl syntetický diamant velikosti poštovní známky obsahující fotodetektory na bázi dusíku zavěšen v podchlazené kovové krabici, která vytvářela vakuum. Membrána, která funguje jako připoutaná trampolína, je zrychlena fenomenálními rychlostmi.

Článek ukazuje, že produkce fotonů ve vakuu je společně zvýšena a kvantifikována, protože produkce fotonů ve vakuu prochází fázovým přechodem z normální fáze do „ultraluminiscenční invertované laserové fáze“, když číslo detektoru a překročí kritickou hodnotu.

„Pohyb diamantu produkuje fotony,“ řekl Hui Wang, postdoktorand, který napsal teoretickou práci, když byl postgraduálním studentem v Dartmouthu. „V podstatě vše, co musíte udělat, je zatřepat něčím dostatečně prudce, aby vznikly provázané fotony.“

Článek Dartmouth zkoumá použití více fotonových detektorů – diamantových defektů – k zesílení membránového zrychlení a zvýšení citlivosti detekce. Houpání diamantem také umožňuje provádět experiment v kontrolovaném prostoru s extrémními rychlostmi zrychlení.

„Naše práce je první, která zkoumá, co se stane, když je místo jednoho urychlujících fotodetektorů několik,“ řekl Blenko. „Zkoumali jsme efekt kvantově vylepšeného zesílení tvorby světla z vakua, ve kterém je kolektivní efekt několika detektorů akcelerometru větší než pohled na ně jednotlivě.“

Aby se potvrdilo, že detekované fotony pocházejí z vakua a nikoli z okolního prostředí, tým vysvětlil, že teorie pozoruje „provázané světlo“, což je charakteristický znak kvantové mechaniky, který nemůže vzniknout z vnějšího záření.

„Fotony detekované diamantem jsou produkovány v párech,“ řekl Hoy. „Tato produkce dvojitých a zapletených fotonů je důkazem, že fotony jsou produkovány ve vakuu spíše než z jiného zdroje.“

Návrh na pozorování světla ve vakuu nemá okamžitou použitelnost, ale výzkumný tým doufá, že přispěje k pochopení fyzikálních sil, které přispívají ke společnosti způsobem, který poskytl jiný teoretický výzkum. Práce může zejména pomoci vrhnout experimentální světlo na Hawkingovy předpovědi záření černých děr přes čočku Einsteinova principu ekvivalence.

„Součástí odpovědnosti a radosti z toho, že jsme teoretiky jako my, je zveřejňování nápadů,“ řekl Blenko. „Snažíme se ukázat, že je možné provést tento experiment, otestovat něco, co bylo dosud velmi obtížné.“

Umělecká animace vytvořená týmem zachycuje vytváření fotonů experimentem. Detekované světlo je v mikrovlnné frekvenci, takže není vidět pouhým okem.

Odkaz: „Koherentně zesilující produkci fotonů z vakua hustým oblakem urychlujících fotodetektorů“ od Hui Wanga a Milese Blencowea, 10. června 2021, Komunikační fyzika.
DOI: 10.1038 / s42005-021-00622-3

Výzkum podpořila National Science Foundation.