Феновете на „Междузвездни войни“ вероятно си спомнят звездните ивици, които се виждат в пилотската кабина на прескачащия в хиперпространството "Хилядолетен сокол". Но какво всъщност би видял един пилот, ако можеше да ускори за миг през вакуума на космоса? Според прогноза, известна като ефекта на Унрух, той по-вероятно щеше види топлинно сияние.
От 70-те години на миналия век, когато бе предложен за първи път, ефектът на Унрух е невъзможно да се наблюдава, главно защото вероятността да се види ефектът е безкрайно малка, защото изисква или огромни ускорения, или огромно количество време за наблюдение. Но изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) и Университета на Ватерло вярват, че са намерили начин да увеличат значително вероятността да се наблюдава ефектът на Унрух, който те описват в проучване във Physical Review Letters.
Наречен ефект на Унрух, този термичен изблик от вакуума, е подобен на загадъчното лъчение на Хокинг, за което се смята, че обгражда черните дупки. Само че в този случай е продукт на ускорението, а не на гравитацията.
Вместо да наблюдава ефекта спонтанно, както са се опитвали други учени в миналото, екипът предлага стимулиране на явлението по много специфичен начин, който засилва ефекта на Унрух, като същевременно потиска други конкурентни ефекти. Изследователите оприличават идеята си с хвърляне на наметало-невидимка върху други конвенционални явления, което да помогне да се да разкрие много по-малко очевидния ефект на Унрух.
Ако може да бъде реализиран в практически експеримент, този нов стимулиран подход, с добавен слой невидимост (или „индуцирана от ускорението прозрачност“, както е описано в документа) може значително да увеличи вероятността за наблюдаване на ефекта на Унрух. Вместо да чака по-дълго от възрастта на Вселената ускоряваща се частица да произведе топлинно сияние, както предвижда ефектът на Унрух, подходът на екипа ще намали това време за изчакване до няколко часа.
„Сега поне знаем, че има шанс в живота ни да видим този ефект“, коментира съавторът на изследването Вивишек Судхир (Vivishek Sudhir), асистент по машинно инженерство в Масачузетския технологичен институт, който проектира експеримент за улавяне на ефекта въз основа на теорията на групите. "Това е труден експеримент и няма гаранция, че ще успеем да го направим, но тази идея е най-близката ни надежда."
Близка връзка
Ефектът на Унрух е известен още като ефектът на Фулинг-Дейвис-Унрух (Fulling-Davies-Unruh effect), по името на тримата физици, които първоначално го представят. Прогнозата гласи, че тяло, което се ускорява през вакуум, трябва да усети присъствието на топлинно излъчване 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.
С други думи, ускоряващ се наблюдател ще види радиационния фон около себе си, дори ако неускоряващ се наблюдател не вижда нищо. Основното квантово състояние (физическият вакуум) в инерциална система изглежда е състояние с ненулева температура в ускоряваща се отправна система.
За да произведе сияние, достатъчно топло, за да може детекторите да го измерят, тяло като атом би трябвало да се ускори до скоростта на светлината за по-малко от милионна част от секундата. Такова ускорение би било еквивалентно на претоварване (g-сила) от квадрилион метра в секунда на квадрат (пилотът на изтребител обикновено изпитва претоварване от 10 метра в секунда на квадрат).
„За да видите този ефект за кратък период от време, ще трябва да имате невероятно ускорение“, обяснява Судхир. „Ако вместо това имахте някакво разумно ускорение, ще трябва да изчакате огромно количество време – по-дълго от възрастта на Вселената – за да видите измерим ефект."
Тогава какъв би бил смисълът? От една страна, той казва, че наблюдаването на ефекта Унрух 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 светлината и материята в екстремно гравитационно поле, като например около черна дупка.
„Има тясна връзка между ефекта на Хокинг и ефекта на Унру – те са точно допълващите се ефекти“, отбелязва Судхир, който добавя, че ако някой може да наблюдава ефекта на Унрух, „човек щеше да наблюдава механизъм, който е нещо общо от двата ефекта."
Прозрачна траектория
Предполага се, че ефектът на Унрух се появява спонтанно във вакуума. Според квантовата теория на полето, вакуумът не е просто празно пространство, а по-скоро поле от спонтанни квантови флуктуации, като всяка честотна лента е с размерите на половин фотон. Унрух прогнозира, че тяло, ускоряващо се през вакуум, трябва да засили тези флуктуации по начин, който произвежда топлинно лъчение на частици.
В своето проучване изследователите въвеждат нов подход за увеличаване на вероятността от ефекта на Унрух, като добавят светлина към целия сценарий - подход, известен като стимулация.
„Когато добавяте фотони в полето, вие добавяте 'n' пъти повече от тези флуктуации от този половин фотон, който е във вакуума”, обяснява Судхир. „Така че, ако ускорите през това ново състояние на полето, бихме очаквали да се видят ефекти, които също се увеличават n пъти повече от това, което бихте видели само от вакуум.“
Въпреки това, в допълнение към квантовия ефект на Унрух, допълнителните фотони също биха усилили други ефекти във вакуума - основен недостатък, който пречи на други ловци на ефекта Унрух да предприемат подхода на стимулиране.
Екипът обаче открива как да заобиколи чрез „прозрачност, предизвикана от ускорението“, концепция, която въвеждат в статията. Те показват 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 атома.
„Когато стимулираме ефекта на Унрух, в същото време ние също така стимулираме конвенционалните или резонансни ефекти, но показваме, че чрез проектиране на траекторията на частицата можем по същество да изключим тези ефекти“, обяснява Барбара Шода (Barbara Šoda) от Университета на Ватерло.
Като направят всички други ефекти прозрачни, изследователите биха могли да имат по-голям шанс да измерят фотоните или топлинното излъчване, идващо само от ефекта на Унрух, както бе предсказано от физиците.
Изследователите вече имат някои идеи как да проектират експеримент въз основа на своята хипотеза. Те планират да изградят ускорител на частици с лабораторен размер, способен да ускори електрон до скоростта на светлината, която след това да стимулират с помощта на лазерен лъч с дължина на вълната на микровълните. Те търсят начини да проектират пътя на електрона за потискане на класическите ефекти, като същевременно усилват неуловимия ефект на Унрух.
„Сега имаме този механизъм, който изглежда статистически усилва този ефект чрез стимулация“, отбелязва Судхир. „Като се има предвид 40-годишната история на този проблем, сега на теория отстранихме най-важното тесно място.“
Великото обединение
Истинската награда обаче би било откриването на нови основи в експерименти, които целят да обединят двете мощни, но несъвместими теории във физиката – едната, която описва как се държат частиците, а другата - изкривяването на пространството и времето.
Ефектът на Унрух е точно на границата на квантовите закони и Общата теория на относителността.
И тъй като според квантовата физика самотен отделен атом, намиращ се във вакуум, може да изпита ефекта на Инрух, само ако фотон премине през електромагнитното поле (т.е. от фотони) и накара електроните на атома да завибрират и да се отдели въпросното топлинно лъчение. А според теорията на относителността това може да се постигне просто чрез ускоряване, атомът може да изпита и най-малките колебания в околното електромагнитно поле като нискоенергийни фотони, трансформирани от един вид ефект на Доплер.
Това взаимодействие между релативистичното преминаване на вълните през квантово поле и вибрирането на електроните на атома зависи от общото синхронизиране в техните честоти. Всички квантови ефекти, които не се синхронизират, обикновено се игнорират и както е обяснено в статията, са склонни да се балансират в дългосрочен план.
„Общата теория на относителността и теорията на квантовата механика в момента все още са донякъде в противоречие, но трябва да има обединяваща теория, която описва как функционират нещата във Вселената“, коментира математикът Ахим Кемпф (Achim Kempf) от Университета Ватерло.
„Търсихме начин да обединим тези две големи теории и тази работа ни помага да ги сближим, отваряйки възможности за експериментално тестване на нови теории."
Справка: Acceleration-Induced Effects in Stimulated Light-Matter Interactions
Barbara Šoda, Vivishek Sudhir, and Achim Kempf
Phys. Rev. Lett. 128, 163603 – Published 21 April 2022, DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.163603
Източници:
Physicists embark on a hunt for a long-sought quantum glow
A new approach could make it possible to detect the elusive Unruh effect in hours, rather than billions of years.
Jennifer Chu, MIT News Office
Physicists Found a Way to Trigger The Strange Glow of Warp Speed Acceleration
MIKE MCRAE, sciencealert
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари