Ny teori til at detektere lys i mørket af et vakuum

Sorte huller er områder i rum-tid med enorme mængder tyngdekraft. Forskere troede oprindeligt, at intet kunne undslippe grænserne for disse massive objekter, inklusive lys.

Den præcise natur af sorte huller har været udfordret lige siden Albert Einsteins generelle relativitetsteori gav anledning til muligheden for deres eksistens. Blandt de mest berømte fund var den engelske fysiker Stephen Hawkings forudsigelse om, at nogle partikler faktisk udsendes ved kanten af ​​et sort hul.

Fysikere har også udforsket støvsugeres funktion. I begyndelsen af ​​1970'erne, som Hawking beskrev, hvordan lys kan undslippe et sort huls tyngdekraft, Den canadiske fysiker William Unruh foreslog, at en fotodetektor, der accelererede hurtigt nok, kunne "se" lys i et vakuum.

Ny forskning fra Dartmouth fremmer disse teorier ved at beskrive en måde at producere og detektere lys, der tidligere blev antaget at være ikke -observerbart.

"I daglig forstand, resultaterne synes overraskende at antyde evnen til at producere lys fra det tomme vakuum, "siger Miles Blencowe, Eleanor og A. Kelvin Smith Distinguished Professor in Physics og undersøgelsens seniorforsker. "Vi har, i det væsentlige, produceret noget af ingenting; tanken om det er bare meget cool."

I klassisk fysik, vakuumet opfattes som fraværet af stof, lys, og energi. I kvantefysikken, vakuumet er ikke så tomt, men fyldt med fotoner, der svinger ind og ud af eksistens. Imidlertid, sådan lys er praktisk talt umuligt at måle.

Med videnskaben, der allerede viser, at observation af lys i et vakuum er muligt, holdet satte sig for at finde en praktisk måde at detektere fotonerne på.

Teorien, udgivet i Kommunikationsfysik , forudsiger, at nitrogenbaserede ufuldkommenheder i en hurtigt accelererende diamantmembran kan foretage påvisning.

I det foreslåede forsøg, en syntetisk diamant på størrelse med frimærke, der indeholder de nitrogenbaserede lysdetektorer, er ophængt i en superkølet metalkasse, der skaber et vakuum. Membranen, der fungerer som en fastgjort trampolin, accelereres med massive hastigheder.

"Diamantens bevægelse producerer fotoner, " siger Hui Wang, Guarini '21, en postdoc, der skrev den teoretiske opgave som kandidatstuderende. "I bund og grund alt hvad du skal gøre er at ryste noget voldsomt nok til at producere sammenfiltrede fotoner."

Studiet, som blev støttet af National Science Foundation, er den første til at undersøge ved hjælp af flere fotondetektorer - diamantdefekterne - for at forstærke accelerationen og øge registreringsfølsomheden. Oscillering af diamanten gør det også muligt for eksperimentet at finde sted i et kontrollerbart rum med intense accelerationshastigheder.

"Fotonerne detekteret af diamanten produceres i par, " siger Hui. "Denne produktion af parrede, sammenfiltrede fotoner er bevis på, at fotonerne er produceret i et vakuum og ikke fra en anden kilde."

Det detekterede lys findes i mikrobølgefrekvens, så er det ikke synligt for det menneskelige øje, men Blencowe og Wang håber, at arbejdet bidrager til forståelsen af ​​fysiske kræfter, der bidrager til samfundet på samme måde som anden teoretisk forskning har gjort. I særdeleshed, arbejdet kan hjælpe med at kaste eksperimentelt lys over Hawkings forudsigelse for udstråling af sorte huller gennem linsen af ​​Einsteins forskning.

"En del af ansvaret og glæden ved at være teoretikere som os selv er at lægge ideer frem, " siger Blencowe. "Vi forsøger at vise, at det er muligt at udføre dette eksperiment, at teste noget, der indtil nu har været ekstraordinært svært."