Fysikere begiver sig ud på en jagt efter en længe søgt kvanteglød

For "Star Wars"-fans er de stribede stjerner set fra Millennium Falcons cockpit, mens den hopper til hyperspace, et kanonisk billede. Men hvad ville en pilot egentlig se, hvis hun kunne accelerere på et øjeblik gennem rummets vakuum? Ifølge en forudsigelse kendt som Unruh-effekten ville hun mere sandsynligt se en varm glød.

Siden 1970'erne, hvor den først blev foreslået, har Unruh-effekten unddraget sig opdagelse, hovedsageligt fordi sandsynligheden for at se effekten er uendeligt lille, hvilket kræver enten enorme accelerationer eller enorme mængder af observationstid. Men forskere ved MIT og University of Waterloo mener, at de har fundet en måde at øge sandsynligheden for at observere Unruh-effekten markant, hvilket de beskriver i en undersøgelse, der vises i Physical Review Letters .

I stedet for at observere effekten spontant, som andre har forsøgt tidligere, foreslår holdet at stimulere fænomenet på en meget speciel måde, der forstærker Unruh-effekten, mens andre konkurrerende effekter undertrykkes. Forskerne sammenligner deres idé med at kaste en usynlighedskappe over andre konventionelle fænomener, som så skulle afsløre den langt mindre åbenlyse Unruh-effekt.

Hvis det kan realiseres i et praktisk eksperiment, kan denne nye stimulerede tilgang, med et ekstra lag af usynlighed (eller "accelerationsinduceret gennemsigtighed," som beskrevet i papiret) øge sandsynligheden for at observere Unruh-effekten. I stedet for at vente længere end universets alder på, at en accelererende partikel producerer en varm glød, som Unruh-effekten forudsiger, ville holdets tilgang barbere ventetiden ned til et par timer.

"Nu ved vi i det mindste, at der er en chance i vores liv, hvor vi faktisk kan se denne effekt," siger studiets medforfatter Vivishek Sudhir, assisterende professor i maskinteknik ved MIT, som designer et eksperiment for at fange effekten baseret på gruppens teori. "Det er et hårdt eksperiment, og der er ingen garanti for, at vi ville være i stand til at gøre det, men denne idé er vores nærmeste håb."

Studiets medforfattere omfatter også Barbara Šoda og Achim Kempf fra University of Waterloo.

Luk forbindelsen

Unruh-effekten er også kendt som Fulling-Davies-Unruh-effekten efter de tre fysikere, der oprindeligt foreslog den. Forudsigelsen siger, at et legeme, der accelererer gennem et vakuum, faktisk burde føle tilstedeværelsen af ​​varm stråling udelukkende som en effekt af kroppens acceleration. Denne effekt har at gøre med kvanteinteraktioner mellem accelereret stof og kvantefluktuationer i det tomme rums vakuum.

For at producere en glød, der er varm nok til, at detektorer kan måle, ville et legeme som et atom skulle accelerere til lysets hastighed på mindre end en milliontedel af et sekund. En sådan acceleration ville svare til en g-kraft på en kvadrillion meter pr. sekund i kvadrat (en jagerpilot oplever typisk en g-kraft på 10 meter per sekund i kvadrat).

"For at se denne effekt på kort tid, skal du have en utrolig acceleration," siger Sudhir. "Hvis du i stedet havde en rimelig acceleration, ville du skulle vente enormt lang tid - længere end universets alder - for at se en målbar effekt."

Hvad ville så være meningen? For det første siger han, at observation af Unruh-effekten ville være en validering af fundamentale kvanteinteraktioner mellem stof og lys. Og for en anden kunne påvisningen repræsentere et spejl af Hawking-effekten - et forslag fra fysikeren Stephen Hawking, der forudsiger en lignende termisk glød, eller "Hawking-stråling", fra lys- og stofinteraktioner i et ekstremt tyngdefelt, f.eks. sort hul.

"Der er en tæt sammenhæng mellem Hawking-effekten og Unruh-effekten - de er præcis den komplementære effekt af hinanden," siger Sudhir, som tilføjer, at hvis man skulle observere Unruh-effekten, "ville man have observeret en mekanisme, der er fælles for begge effekter."

En gennemsigtig bane

Unruh-effekten forudsiges at opstå spontant i et vakuum. Ifølge kvantefeltteorien er et vakuum ikke blot et tomt rum, men derimod et felt af rastløse kvanteudsving, hvor hvert frekvensbånd måler omtrent på størrelse med en halv foton. Unruh forudsagde, at et legeme, der accelererer gennem et vakuum, skulle forstærke disse fluktuationer på en måde, der frembringer en varm, termisk glød af partikler.

I deres undersøgelse introducerede forskerne en ny tilgang til at øge sandsynligheden for Unruh-effekten ved at tilføje lys til hele scenariet – en tilgang kendt som stimulering.

"Når du tilføjer fotoner i feltet, tilføjer du 'n' gange flere af disse udsving end denne halve foton, der er i vakuumet," forklarer Sudhir. "Så hvis du accelererer gennem denne nye tilstand af feltet, ville du forvente at se effekter, der også skaleres 'n' gange, hvad du ville se fra kun vakuumet alene."

Ud over kvante-Unruh-effekten ville de yderligere fotoner imidlertid også forstærke andre effekter i vakuumet - en stor ulempe, der har afholdt andre jægere af Unruh-effekten fra at tage stimuleringstilgangen.

Šoda, Sudhir og Kempf fandt dog en løsning gennem "accelerationsinduceret gennemsigtighed", et koncept, de introducerer i papiret. De viste teoretisk, at hvis et legeme som et atom kunne fås til at accelerere med en meget specifik bane gennem et felt af fotoner, ville atomet interagere med feltet på en sådan måde, at fotoner med en bestemt frekvens i det væsentlige ville virke usynlige for atom.

"Når vi stimulerer Unruh-effekten, stimulerer vi samtidig også de konventionelle eller resonanseffekter, men vi viser, at ved at konstruere partiklens bane, kan vi i det væsentlige slå disse effekter fra," siger Šoda.

Ved at gøre alle andre effekter gennemsigtige kunne forskerne så have en bedre chance for at måle fotonerne eller den termiske stråling, der kun kommer fra Unruh-effekten, som fysikerne forudsagde.

Forskerne har allerede nogle ideer til, hvordan man kan designe et eksperiment ud fra deres hypotese. De planlægger at bygge en partikelaccelerator i laboratoriestørrelse, der er i stand til at accelerere en elektron til tæt på lysets hastighed, som de derefter ville stimulere ved hjælp af en laserstråle ved mikrobølgelængder. De leder efter måder at konstruere elektronens vej til at undertrykke klassiske effekter, mens de forstærker den undvigende Unruh-effekt.

"Nu har vi denne mekanisme, der ser ud til statistisk at forstærke denne effekt via stimulering," siger Sudhir. "I betragtning af dette problems 40-årige historie har vi nu i teorien løst den største flaskehals." + Udforsk yderligere

En nøglebrik til at forstå, hvordan kvantetyngdekraften påvirker lavenergifysik