En kvantesimulering af Unruh-stråling

Forskere ved University of Chicago (UChicago) har for nylig rapporteret om en eksperimentel observation af et stoffelt med termiske udsving, der er i overensstemmelse med Unruhs strålingsforudsigelser. Deres papir, udgivet i Naturfysik , kunne åbne nye muligheder for forskning, der udforsker kvantesystemernes dynamik i en buet rumtid.

"Vores team på UChicago har undersøgt et nyt kvantefænomen kaldet Bose fyrværkeri, som vi opdagede for to år siden, "Cheng Chin, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vores papir rapporterer dets skjulte forbindelse til et gravitationsfænomen kaldet Unruh-stråling."

Unruh-effekten, eller Unruh stråling, er tæt forbundet med Hawking-stråling. I 1974, teoretisk fysiker Stephen Hawking forudsagde, at den stærke tyngdekraft nær sorte huller fører til emission af en termisk stråling af partikler, som ligner varmebølgen fra en ovn. Dette fænomen forbliver spekulativt uden nogen direkte eksperimentel bekræftelse.

Et par år senere, i 1976, fysiker William Unruh antog, at en person kunne observere den samme stråling, når hun bevæger sig med en høj acceleration. Ækvivalensen mellem Hawking og Unruh-stråling er baseret på Einsteins ækvivalensprincip, hvilket nu er blevet bekræftet af mange forsøg.

På trods af Unruhs forudsigelser, ingen har endnu observeret Unruh-stråling, hvilket ikke er overraskende, da dette fænomen er særligt svært at fange. Faktisk, en person ville være nødt til at udholde en G-kraft på 25 milliarder milliarder (25*10 ¹⁸ ) for at se en svag stråling på 1 Kelvin. Dette er et forbløffende tal, når man tænker på det, for eksempel, G-kraften, som en jagerflypilot oplever, er ikke mere end 10.

"I vores laboratorium, vi simulerer Unruh-fysik ved præcist at modulere et Bose-Einstein-kondensat med magnetfeltet, " sagde Chin. "Selv gennem vores prøve bevæger sig ikke, moduleringen har samme effekt som at booste samplet til en accelererende referenceramme. Vi observerer stråling ved 2 mikro-Kelvin, og målingen stemmer glimrende overens med Unruhs forudsigelse og bekræfter strålingsfeltets kvantenatur."

I deres eksperiment, Chin og hans kolleger forberedte 60, 000 cæsiumatomer og afkølede dem til omkring 10 nano-kelvin, derefter startede moduleringen af ​​magnetfeltet. Et par millisekunder efter moduleringen, de observerede en termisk emission af atomer i alle retninger. For at bekræfte den termiske fordeling af atomer, forskerne indsamlede et større antal prøver og viste, at atomtallet svinger præcist efter den termiske Boltzmann-fordeling.

"De temperaturer, vi udtog fra billederne, stemmer glimrende overens med Unruhs forudsigelse, " sagde Chin. "Ud over den termiske fordeling, vi observerer også den rumlige og tidsmæssige sammenhæng af stofbølgeemissionen. Sammenhængen er kvantemekanikkens kendetegn og afslører, at Unruh-stråling stammer fra kvantemekanikken. Dette er i skarp kontrast til klassiske termiske strålingskilder, som en ovn eller sollys, som kommer fra termisk ligevægt."

I det væsentlige, Chin og hans kolleger observerede et stofbølgefelt ved hjælp af en ramme til kvantefysiske simuleringer i ikke-inertielle rammer. De observerede, at denne sagsbølges udsving, såvel som langtrækkende fasekohærens og dens tidsmæssige sammenhæng er afstemt med Unruhs forudsigelser.

Undersøgelsen udført af holdet på UChicago blev finansieret af National Science Foundation, Army Research Office og Chicago MRSEC. I fremtiden, deres observationer kunne have vigtige implikationer for studiet af kvantefænomener i en buet rumtid.

"Vores metode gælder for generiske kvantetilstande i ikke-inertielle referencerammer. I vores fremtidige arbejde, vi ønsker at identificere nye kvantefænomener i buede rumtider, " sagde Chin. "Der har været meget diskussion om, hvorvidt Einsteins generelle relativitetsteori er forenelig med kvantemekanik. Der er forslag, spekulationer og endda paradokser, og vi ønsker at udføre eksperimenter, der kan hjælpe til bedre at forstå, hvordan kvantemekanik fungerer i buede rumtider."

© 2019 Science X Network