Natuurkundigen gingen op zoek naar een langverwachte kwantumgloed

Voor fans van “Star Wars” zijn de fonkelende sterren gezien vanuit de cockpit van de Millennium Falcon die de hyperruimte in springt, essentieel. Maar wat zou een piloot eigenlijk zien als hij in een oogwenk door het vacuüm van de ruimte zou kunnen versnellen? Volgens een voorspelling die bekend staat als het Unruh-effect, is de kans groter dat je een warme gloed ziet.

Sinds de jaren zeventig, toen het voor het eerst werd voorgesteld, is het Unruh-effect aan detectie ontsnapt, voornamelijk omdat de kans om het effect te zien erg klein is, waardoor enorme versnellingen of enorme hoeveelheden observatietijd nodig zijn. Maar onderzoekers van het MIT en de Universiteit van Waterloo geloven dat ze een manier hebben gevonden om de kans op het waarnemen van het Unruh-effect drastisch te vergroten, wat ze beschrijven in een onderzoek dat verschijnt in Fysieke beoordelingsbrieven.

In plaats van het effect automatisch op te merken, zoals anderen in het verleden hebben geprobeerd, stelt het team voor het fenomeen te stimuleren, op een heel speciale manier die het Unruh-effect versterkt en andere concurrerende effecten onderdrukt. De onderzoekers vergeleken hun idee met gooien onzichtbaarheidsmantel op andere traditionele fenomenen, die dan de minder voor de hand liggende invloed van Unruh zouden moeten onthullen.

Als dit in een praktisch experiment kan worden bereikt, kan deze nieuwe katalytische benadering, met een extra laag latentie (of “door versnelling veroorzaakte transparantie”, zoals beschreven in het artikel) de kans op waarneming van het Unruh-effect aanzienlijk vergroten. In plaats van langer dan de leeftijd van het universum te wachten tot het versnellende deeltje een warme gloed produceert, zoals het Unruh-effect voorspelt, verkort de benadering van het team de wachttijd tot een paar uur.

Studie co-auteur Viveshik Sudhir, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan het MIT, die een experiment ontwerpt om meer te weten te komen over het effect op basis van groepentheorie, zegt. “Het is een moeilijke ervaring en er is geen garantie dat we het zullen kunnen doen, maar dit idee is onze grootste hoop.”

Studie co-auteurs zijn onder andere Barbara Chuda en Achim Kempf van de Universiteit van Waterloo.

op het nippertje

Het Unruh-effect staat ook bekend als het Fulling-Davies-Unruh-effect, naar de drie natuurkundigen die het aanvankelijk voorstelden. De voorspelling stelt dat een object dat door een vacuüm versnelt, eigenlijk de aanwezigheid van warme straling zou moeten voelen, slechts een effect van de versnelling van het object. Dit effect heeft te maken met kwantuminteracties tussen versnellende materie en kwantumfluctuaties binnen de lege ruimte van de ruimte.

Om een ​​gloed te produceren die warm genoeg is voor de detectoren om te meten, zou een object zoals een atoom moeten versnellen tot lichtsnelheid In minder dan een miljoenste van een seconde. Een dergelijke versnelling zou gelijk zijn aan een zwaartekracht van één biljard meter per vierkante seconde (een gevechtspiloot ervaart typisch een weerstand van 10 meter per vierkante seconde).

“Om dit effect in zo’n korte tijd te zien, moet je een verbazingwekkende versnelling hebben”, zegt Sudhir. “Als je in plaats daarvan een redelijke versnelling zou hebben, zou je enorm veel tijd moeten wachten – langer dan de leeftijd van het universum – om een ​​meetbaar effect te zien.”

Wat is dan het doel? Hij zegt bijvoorbeeld dat het observeren van het Unruh-effect zou dienen als bewijs van fundamentele kwantuminteracties tussen materie en licht. Aan de andere kant zou de ontdekking het Hawking-effect kunnen weerspiegelen – een voorstel van natuurkundige Stephen Hawking dat een vergelijkbare thermische gloed of “Hawking-straling” voorspelt van interacties van licht en materie in een intens zwaartekrachtveld, zoals rond een zwart gat.

“Er is een nauw verband tussen het Hawking-effect en het Unruh-effect – ze zijn precies het complementaire effect van elkaar”, zegt Sudhir, eraan toevoegend dat als men het Unruh-effect had waargenomen, “men een gemeenschappelijk mechanisme voor beide effecten zou hebben waargenomen .”

transparant pad

Het Unruh-effect zal naar verwachting spontaan optreden in een vacuüm. naar mij kwantumveldentheorieVacuüm is niet alleen een lege ruimte, het is een turbulent veld Kwantitatieve fluctuatiesMet alles Frequentiebereik Het meet ongeveer de grootte van een half foton. Unruh voorspelde dat een object dat door een vacuüm versnelt deze fluctuaties zou versterken, op een manier die de warme thermische gloed van de deeltjes produceert.

In hun onderzoek presenteerden de onderzoekers een nieuwe benadering om de kans op het Unruh-effect te vergroten, door licht toe te voegen aan het hele scenario – een benadering die bekend staat als stimulus.

“Als je fotonen aan het veld toevoegt, voeg je meer van deze fluctuaties toe dan de helft van het foton zich in het vacuüm bevindt”, legt Sudhir uit. “Dus als je sneller door deze nieuwe staat van het veld gaat, zou je effecten verwachten die ook meten hoe vaak wat je zou kunnen zien vanuit de leegte alleen.”

Naast het kwantum Unruh-effect, zullen de extra fotonen echter ook de andere effecten versterken in stofzuigerEen grote fout verhinderde andere Unruh Effect-jagers om de stimulusbenadering te volgen.

Uddeh, Sudhir en Kempf kwamen echter met een alternatieve oplossing, door middel van “transparantie veroorzaakt door versnelling”, een concept dat ze in de krant introduceerden. Ze toonden theoretisch aan dat als een object zoals een atoom zou kunnen worden versneld met een heel specifiek pad door het veld van fotonen, het atoom op zo’n manier met het veld zou interageren dat fotonen met een bepaalde frequentie in wezen onzichtbaar zouden lijken voor het atoom .

“Als we het Unruh-effect stimuleren, stimuleren we tegelijkertijd ook de conventionele of resonerende effecten, maar we laten zien dat we die effecten in wezen kunnen uitschakelen door de baan van het deeltje te ontwerpen”, zegt Aude.

Door alle andere effecten transparant te maken, kunnen onderzoekers beter meten Fotonenof alleen thermische straling van het Unruh-effect, zoals natuurkundigen voorspelden.

De onderzoekers hebben al enkele ideeën over hoe ze een experiment kunnen ontwerpen op basis van hun hypothese. Ze zijn van plan een deeltjesversneller op laboratoriumformaat te bouwen die een elektron kan versnellen tot bijna de lichtsnelheid, die ze vervolgens zullen stimuleren met behulp van een laserstraal op microgolfgolflengten. Ze zijn op zoek naar manieren om de elektronenroute te manipuleren om klassieke effecten te onderdrukken, terwijl het ongrijpbare Unruh-effect wordt versterkt.

“We hebben nu dit mechanisme dat dit effect statistisch lijkt te versterken door middel van stimulatie”, zegt Sudhir. “Gezien de 40-jarige geschiedenis van dit probleem, hebben we nu in theorie het grootste knelpunt opgelost.”