Физиците тръгнаха да търсят дълго търсено квантово сияние

Според прогноза, известна като ефекта на Unruh, пилотите на Millenium Falcon по-вероятно ще видят горещо сияние, когато скачат в хиперпространството. Кредит: Кристин Данилоф, MIT

За феновете на „Междузвездни войни“ падащите звезди, наблюдавани от пилотската кабина на Millennium Falcon, докато скача в хиперпространството, са каноничен образ. Но какво всъщност би видял един пилот, ако можеше да ускори за миг през вакуума на космоса? Според прогноза, известна като ефекта на Unruh, тя по-вероятно ще види топло сияние.

От 70-те години на миналия век, когато е предложен за първи път, ефектът Unruh е избягал от откриване, главно защото вероятността да се види ефектът е безкрайно малка, което изисква или огромни ускорения, или голямо количество време за наблюдение. Но изследователи от Масачузетския технологичен институт и Университета на Ватерло вярват, че са намерили начин да увеличат значително вероятността от наблюдаване на ефекта Unruh, който те описват подробно в проучване, публикувано в Писма за физически преглед.

Вместо да наблюдава ефекта спонтанно, както са се опитвали други в миналото, екипът предлага да се стимулира явлението по много специфичен начин, който засилва ефекта на Unruh, като същевременно потиска други конкурентни ефекти. Изследователите сравняват идеята си с хвърлянето на наметало-невидимка върху други конвенционални явления, което след това трябва да разкрие много по-малко очевидния ефект на Unruh.

Ако може да бъде реализиран в практически експеримент, този нов стимулиран подход, с допълнителен слой невидимост (или „индуцирана от ускорение прозрачност“, както е описано в статията) може значително да увеличи вероятността за наблюдаване на ефекта Unruh. Вместо да чака по-дълго от възрастта на Вселената за ускорена частица да произведе топло сияние, както предвижда ефектът на Unruh, подходът на екипа ще намали това време за изчакване до няколко часа.

„Сега поне знаем, че има шанс през живота ни да видим този ефект“, казва съавторът на изследването Вивишек Судхир, асистент по машинно инженерство в Масачузетския технологичен институт, който проектира експеримент за улавяне на ефекта, базиран на по теория на групите. “Това е труден експеримент и няма гаранция, че ще успеем да го направим, но тази идея е най-близката ни надежда.”

Съавторите на изследването са също Барбара Шода и Ахим Кемпф от Университета на Ватерло.

Близка връзка

Ефектът на Unruh е известен също като ефектът на Fulling-Davies-Unruh, кръстен на тримата физици, които първоначално са го предложили. Прогнозата показва, че тялото, ускоряващо се във вакуум, всъщност трябва да усеща присъствието на гореща радиация само като ефект от ускорението на тялото. Този ефект е свързан с квантовите взаимодействия между ускорената материя и квантовите флуктуации във вакуума на празното пространство.

За да произведе достатъчно горещо сияние, за да може детекторите да го измерват, тяло като атом би трябвало да се ускори до скоростта на светлината за по-малко от милионна част от секундата. Такова ускорение би се равнявало на g-сила от един квадрилион метра в секунда на квадрат (пилотът на изтребител обикновено изпитва g-сила от 10 метра в секунда на квадрат).

„За да видите този ефект за кратко време, ще трябва да имате невероятно ускорение“, казва Судхир. “Ако вместо това имахте разумно ускорение, ще трябва да изчакате огромно количество време – по-дълго от възрастта на Вселената – за да видите измерим ефект.”

Какъв би бил смисълът тогава? От една страна, той казва, че наблюдаването на ефекта Unruh би било валидиране на фундаменталните квантови взаимодействия между материята и светлината. И от друга страна, откриването може да представлява огледало на ефекта на Хокинг – предложение на физика Стивън Хокинг, което предсказва подобно термично сияние или “радиация на Хокинг” от взаимодействията на светлина и материя в екстремно гравитационно поле., като около черна дупка.

„Има тясна връзка между ефекта на Хокинг и ефекта на Унру – те са точно допълващият се ефект един на друг“, обяснява Судхир, който добавя, че ако някой трябваше да наблюдава ефекта на Унру, „щяхме да наблюдаваме механизъм, който е общо за двата ефекта.”

Прозрачна траектория

Ефектът на Unruh трябва да се появи спонтанно във вакуум. Според квантовата теория на полето, вакуумът не е просто празно пространство, а по-скоро поле на неспокойни квантови флуктуации, като всяка честотна лента е с размерите на половин фотон. Унру прогнозира, че ускоряващо се тяло във вакуум трябва да засили тези флуктуации по начин, който произвежда топло термично сияние на частиците.

В своето проучване изследователите въведоха нов подход за увеличаване на вероятността от ефекта на Unruh, като добавят светлина към целия сценарий, подход, известен като стимулация.

“Когато добавите фотони в полето, вие добавяте ‘n’ пъти повече от тези флуктуации от този полуфотон, който е във вакуума”, обяснява Судхир. „Така че, ако ускорите през това ново състояние на полето, бихте очаквали да видите ефекти, които също се увеличават „n“ пъти повече от това, което бихте видели само от вакуум“.

Въпреки това, в допълнение към квантовия ефект на Unruh, допълнителните фотони също биха усилили други ефекти във вакуум – основен недостатък, който попречи на други ловци на ефекта Unruh да предприемат подхода на стимулиране.

Šoda, Sudhir и Kempf обаче намериха заобиколно решение, благодарение на „индуцирана от ускорение прозрачност“, концепция, която въвеждат в статията. Те показаха теоретично, че ако тяло като атом може да бъде накарано да се ускорява с много специфична траектория през поле от фотони, атомът ще взаимодейства с полето по такъв начин, че фотоните с определена честота по същество ще изглеждат невидими за атом.

„Когато стимулираме ефекта на Unruh, ние стимулираме конвенционалните или резонансните ефекти едновременно, но показваме, че чрез проектиране на траекторията на частицата можем по същество да деактивираме тези ефекти“, казва Шода.

Като направят всички други ефекти прозрачни, изследователите може да имат по-голям шанс да измерят фотоните или топлинното излъчване само от ефекта на Unruh, както предсказваха физиците.

Изследователите вече имат някои идеи как да проектират експеримент въз основа на тяхната хипотеза. Те планират да изградят ускорител на частици с размер на лаборатория, способен да ускори електрон до скоростта на светлината, която след това да стимулират с лазерен лъч до дължини на микровълнова вълна. Те търсят начини да проектират пътя на електрона, за да потиснат класическите ефекти, като същевременно усилват неуловимия ефект на Unruh.

„Сега имаме този механизъм, който изглежда статистически усилва този ефект чрез стимулация“, казва Судхир. „Като се има предвид 40-годишната история на този проблем, сега теоретично сме решили най-голямото тесно място.“


Ключ към разбирането как квантовата гравитация влияе на физиката с ниски енергии


Повече информация:
Barbara Šoda и сътр., Ефекти, предизвикани от ускорение при стимулирани взаимодействия светлина-материя, Писма за физически преглед (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.163603

Предоставено от Масачузетския технологичен институт

цитат: Физиците се заеха да търсят дълго търсено квантово сияние (2022 г., 26 април) Извлечено на 27 април 2022 г. от https://phys.org/news/2022-04-physicists-embark-long-sought-quantum .html

Този документ е обект на авторско право. Освен за честна употреба за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието е предоставено само за информация.

Add Comment