Fyzici se vydali hledat dlouho očekávanou kvantovou záři

Pro fanoušky Star Wars jsou třpytící se hvězdy viděné z kokpitu Millenium Falcon skákající do hyperprostoru zásadním obrázkem. Ale co by vlastně pilot viděl, kdyby dokázal během okamžiku zrychlit přes vakuum vesmíru? Podle předpovědi známé jako Unruhův efekt je pravděpodobnější, že uvidíte teplou záři.

Od 70. let, kdy byl poprvé navržen, Unruhův efekt unikal detekci, hlavně proto, že pravděpodobnost pozorování efektu je velmi malá, což vyžaduje buď masivní zrychlení, nebo obrovské množství času pozorování. Vědci z MIT a University of Waterloo se však domnívají, že přišli na způsob, jak dramaticky zvýšit pravděpodobnost pozorování Unruhova efektu, který podrobně popisují ve studii zveřejněné v Fyzické kontrolní dopisy.

Namísto automatického zaznamenávání efektu, jak se o to v minulosti pokoušeli jiní, tým navrhuje stimulaci jevu velmi zvláštním způsobem, který zesílí Unruhův efekt a zároveň potlačí jiné konkurenční efekty. Vědci svůj nápad přirovnali k házení neviditelný plášť na další tradiční jevy, které by pak měly odhalit méně patrný vliv Unruhu.

Pokud toho lze dosáhnout v praktickém experimentu, tento nový katalytický přístup s další vrstvou latence (nebo „průhledností vyvolanou zrychlením“, jak je popsáno v článku) by mohl výrazně zvýšit pravděpodobnost pozorování Unruhova efektu. Místo čekání déle, než je věk vesmíru, než urychlující částice vytvoří teplou záři, jak předpovídá Unruhův efekt, přístup týmu zužuje čekací dobu na několik hodin.

Spoluautor studie Viveshik Sudhir, odborný asistent strojního inženýrství na MIT, který navrhuje experiment, aby se dozvěděl o efektu založeném na teorii skupin, říká. „Je to obtížná zkušenost a není žádná záruka, že to zvládneme, ale tato myšlenka je naší nejbližší nadějí.“

Mezi spoluautory studie patří Barbara Chuda a Achim Kempf z University of Waterloo.

zavřít hovor

Unruhův efekt je také známý jako Fulling-Davies-Unruhův efekt, podle tří fyziků, kteří jej původně navrhli. Předpověď říká, že objekt zrychlující se ve vakuu by měl ve skutečnosti cítit přítomnost teplého záření pouze jako účinek zrychlení objektu. Tento efekt má co do činění s kvantovými interakcemi mezi zrychlující se hmotou a kvantovými fluktuacemi v prázdném prostoru vesmíru.

Aby se vytvořila záře dostatečně teplá, aby ji detektory změřily, musel by objekt jako atom zrychlit rychlost světla Za méně než miliontinu sekundy. Takové zrychlení by se rovnalo g-síle jedné kvadrilionu metrů za sekundu na druhou (stíhací pilot obvykle zažije g-sílu 10 metrů za sekundu na druhou).

„Abyste viděli tento efekt v krátkém časovém období, musíte mít úžasné zrychlení,“ říká Sudhir. „Pokud byste místo toho měli nějaké rozumné zrychlení, museli byste čekat enormně dlouho – déle než je věk vesmíru – abyste viděli měřitelný efekt.“

Co je tedy cílem? Například říká, že pozorování Unruhova efektu by bylo ověřením základních kvantových interakcí mezi hmotou a světlem. Na druhou stranu by objev mohl odrážet Hawkingův jev – návrh fyzika Stephena Hawkinga, který předpovídá podobnou tepelnou záři, neboli „Hawkingovo záření“ z interakcí světla a hmoty v intenzivním gravitačním poli, například kolem černé díry.

„Mezi Hawkingovým efektem a Unruhovým efektem existuje úzká souvislost – jsou přesně vzájemně se doplňujícím efektem,“ říká Sudhir a dodává, že pokud by člověk pozoroval Unruhův efekt, „bylo by pozorovalo společný mechanismus pro oba efekty. .“

průhledná cesta

Očekává se, že Unruhův efekt nastane spontánně ve vakuu. ke mě kvantová teorie poleVakuum není jen prázdný prostor, je to turbulentní pole Kvantové fluktuaceSe vším Frekvenční rozsah Měří přibližně velikost poloviny fotonu. Unruh předpověděl, že objekt zrychlující se ve vakuu by měl tyto výkyvy zesílit způsobem, který vytváří teplou tepelnou záři částic.

Ve své studii vědci představili nový přístup ke zvýšení pravděpodobnosti Unruh efektu přidáním světla do celého scénáře – přístup známý jako stimul.

„Když přidáte fotony do pole, přidáte více těchto fluktuací, než polovina fotonu je ve vakuu,“ vysvětluje Sudhir. „Takže pokud zrychlíte v tomto novém stavu pole, očekáváte, že uvidíte efekty, které také měří, kolikrát to, co byste mohli vidět ze samotné prázdnoty.“

Kromě kvantového Unruh efektu však dodatečné fotony také zesílí další efekty v vysavačZásadní chyba zabránila dalším lovcům Unruh Effect použít stimulační přístup.

Uddeh, Sudhir a Kempf však přišli s alternativním řešením prostřednictvím „průhlednosti vyvolané akcelerací“, konceptu, který představili v novinách. Teoreticky ukázali, že pokud by objekt, jako je atom, mohl být urychlen velmi specifickou cestou přes pole fotonů, atom by interagoval s polem takovým způsobem, že by se fotony určité frekvence jevily pro atom v podstatě neviditelné. .

„Když stimulujeme Unruhův efekt, současně také stimulujeme konvenční nebo rezonanční efekty, ale ukazujeme, že inženýrstvím trajektorie částice můžeme tyto efekty v podstatě vypnout,“ říká Aude.

Zprůhledněním všech ostatních efektů mohou mít výzkumníci větší šanci na měření Fotonynebo pouze tepelné záření z Unruhova jevu, jak předpověděli fyzici.

Vědci již mají nějaké nápady, jak navrhnout experiment na základě jejich hypotézy. Plánují postavit urychlovač částic o velikosti laboratoře schopný urychlit elektron na rychlost blízkou rychlosti světla, kterou pak mohou stimulovat pomocí laserového paprsku na mikrovlnných vlnových délkách. Hledají způsoby, jak zkonstruovat elektronovou dráhu k potlačení klasických efektů a zároveň zesílit nepolapitelný Unruhův efekt.

„Nyní máme tento mechanismus, který zdá se statisticky zesiluje tento efekt prostřednictvím stimulace,“ říká Sudhir. „Vzhledem k 40leté historii tohoto problému jsme nyní teoreticky opravili největší překážku.“