Lær om kvantevakuum ved at studere atomer

Unruh-effekten forbinder kvanteteori og relativitet. Indtil nu, det kunne ikke måles. En ny idé kunne ændre dette.

Er rummets vakuum virkelig tomt? Ikke nødvendigvis. Dette er et af de mærkelige resultater opnået ved at forbinde kvanteteorien og relativitetsteorien:Unruh-effekten antyder, at hvis du flyver gennem et kvantevakuum med ekstrem acceleration, vakuumet ligner ikke længere et vakuum:snarere, det ligner et varmt bad fyldt med partikler. Dette fænomen er tæt forbundet med Hawking-strålingen fra sorte huller.

Et forskerhold fra TU Wien, Erwin Schrödinger Center for Quantum Science and Technology (ESQ) og University of Nottingham's Black Hole Laboratory har i samarbejde med University of British Columbia vist, at i stedet for at studere det tomme rum, hvor partikler pludselig bliver synlige, når de accelererer, du kan skabe en todimensionel sky af ultrakolde atomer (Bose-Einstein-kondensat), hvori lydpartikler, fononer, blive hørbar for en accelereret observatør i det tavse phonon-vakuum. Lyden skabes ikke af detektoren, snarere hører den, hvad der er der, bare på grund af accelerationen (en ikke-accelereret detektor ville stadig ikke høre noget).

Vakuumet er fyldt med partikler

En af grundtankerne i Albert Einsteins relativitetsteori er:Måleresultater kan afhænge af observatørens bevægelsestilstand. Hvor hurtigt tikker et ur? Hvor lang er en genstand? Hvad er bølgelængden af ​​en lysstråle? Der er ikke noget universelt svar på dette, resultatet er relativt - det afhænger af, hvor hurtigt observatøren bevæger sig. Men hvad med spørgsmålet om, hvorvidt et bestemt rumområde er tomt eller ej? Burde to iagttagere ikke i det mindste blive enige om det?

Nej – for det, der ligner et perfekt vakuum for den ene iagttager, kan være en turbulent sværm af partikler og stråling for den anden. Unruh-effekten, opdaget i 1976 af William Unruh, siger, at for en stærkt accelereret observatør har vakuumet en temperatur. Dette skyldes såkaldte virtuelle partikler, som også er ansvarlige for andre vigtige effekter, såsom Hawking-stråling, hvilket får sorte huller til at fordampe.

"For at observere Unruh-effekten direkte, som William Unruh beskrev det, er fuldstændig umuligt for os i dag, " forklarer Dr. Sebastian Erne, der kom fra University of Nottingham til Atomic Institute of Vienna University of Technology som ESQ Fellow for et par måneder siden. se selv en lille Unruh-effekt - det kan vi ikke gøre." der er en anden måde at lære om denne mærkelige effekt:ved at bruge såkaldte kvantesimulatorer.

Kvantesimulatorer

"Mange love i kvantefysikken er universelle. De kan påvises at forekomme i meget forskellige systemer. Man kan bruge de samme formler til at forklare helt forskellige kvantesystemer, " siger Jörg Schmiedmayer fra Wiens teknologiske universitet. "Det betyder, at man ofte kan lære noget vigtigt om et bestemt kvantesystem ved at studere et andet kvantesystem."

"Simulering af et system med et andet har været særligt nyttigt for at forstå sorte huller, da rigtige sorte huller faktisk er utilgængelige, " Dr. Cisco Gooding fra Black Hole-laboratoriet understreger. "I modsætning hertil, analoge sorte huller kan let produceres lige her i laboratoriet."

Dette gælder også for Unruh-effekten:Hvis den originale version af praktiske årsager ikke kan påvises, så kan et andet kvantesystem oprettes og undersøges for at se effekten der.

Atomskyer og laserstråler

Ligesom en partikel er en "forstyrrelse" i det tomme rum, der er forstyrrelser i det kolde Bose-Einstein-kondensat - små uregelmæssigheder (lydbølger), der breder sig i bølger. Som det nu er blevet vist, sådanne uregelmæssigheder bør kunne detekteres med specielle laserstråler. Ved hjælp af specielle tricks, Bose-Einstein-kondensatet forstyrres minimalt af målingen, på trods af interaktionen med laserlyset.

Jörg Schmiedmayer forklarer:"Hvis du flytter laserstrålen, så belysningspunktet bevæger sig over Bose-Einstein-kondensatet, det svarer til, at iagttageren bevæger sig gennem det tomme rum. Hvis du leder laserstrålen i accelereret bevægelse over atomskyen, så burde du være i stand til at opdage forstyrrelser, der ikke ses i det stationære tilfælde - ligesom en accelereret observatør i et vakuum ville opfatte et varmebad, der ikke er der for den stationære observatør."

"Indtil nu, Unruh-effekten var en abstrakt idé, " siger professor Silke Weinfurtner, der leder Black Hole-laboratoriet ved University of Nottingham, "Mange havde opgivet håbet om eksperimentel verifikation. Muligheden for at inkorporere en partikeldetektor i en kvantesimulering vil give os ny indsigt i teoretiske modeller, som ellers ikke er eksperimentelt tilgængelige."

Den foreløbige planlægning er allerede i gang for at udføre en version af eksperimentet ved hjælp af superfluid helium ved University of Nottingham. "Det er muligt, men meget tidskrævende, og der er tekniske forhindringer for os at overvinde, " forklarer Jörg Schmiedmayer. "Men det ville være en vidunderlig måde at lære om en vigtig effekt, som man tidligere troede var praktisk talt ikke observerbar."