Неуловимый эффект Унру: физики готовятся увидеть долгожданное квантовое свечение

Новый подход может позволить ученым обнаружить неуловимый до сих пор эффект Унру за считанные часы, а не за миллиарды лет.

Для фанатов «Звездных войн» полосы звезд, видимые из кабины звездолета «Тысячелетний сокол», когда он прыгает в гиперпространство, являются каноническим изображением. Но что на самом деле увидел бы пилот, если бы он мог мгновенно ускориться через космический вакуум? Согласно предсказанию, известному как эффект Унру, он наверняка увидит тепловое свечение — фон излучения вокруг себя, даже если не ускоряющийся наблюдатель при этом не видит ничего.

С 1970-х годов, когда он был впервые предложен, эффект Унру ускользал от обнаружения из-за того, что вероятность увидеть эффект бесконечно мала, что требует либо невероятных ускорений, либо огромных периодов времени наблюдения. Однако исследователи из Массачусетского технологического института и Университета Ватерлоо считают, что они обнаружили механизм, который значительно повышает вероятность наблюдения эффекта Унру, который они описывают в исследовании, опубликованном в Physical Review Letters.

Вместо того, чтобы наблюдать эффект спонтанно, как пытались предыдущие исследователи в прошлом, команда предлагает стимулировать явление особым образом, который усиливает эффект Унру и подавляет другие конкурирующие эффекты. Исследователи сравнивают свою концепцию с наложением мантии-невидимки на другие обычные явления, которые затем должны выявить гораздо менее очевидный эффект Унру.

Если это можно реализовать в практическом эксперименте, этот новый стимулированный подход с добавленным слоем невидимости (или «прозрачности, вызванной ускорением», как описано в статье) мог бы значительно увеличить вероятность наблюдения эффекта Унру. Вместо того, чтобы ждать дольше, чем возраст Вселенной, чтобы ускоряющаяся частица произвела тепловое свечение, как предсказывает эффект Унру, подход сократит это время ожидания до нескольких часов.

«Теперь, по крайней мере, мы знаем, что в нашей жизни есть шанс увидеть этот эффект», — говорит соавтор исследования Вивишек Судхир, доцент кафедры машиностроения в Массачусетском технологическом институте. «Это сложный эксперимент, и нет никакой гарантии, что мы сможем его провести, но эта идея — наша ближайшая надежда».

Тесная связь

Эффект Унру также известен как эффект Фуллинга-Дэвиса-Унру, назван в честь трех физиков, которые первоначально предложили его. Предсказание гласит, что тело, ускоряющееся в вакууме, на самом деле должно ощущать присутствие теплового излучения исключительно в результате ускорения тела. Этот эффект связан с квантовыми взаимодействиями между ускоренной материей и квантовыми флуктуациями в вакууме пустого пространства.

Чтобы произвести свечение, достаточно теплое для измерения детекторами, такое тело, как атом, должно разогнаться до скорости света менее чем за миллионную долю секунды. Такое ускорение будет эквивалентно перегрузке в квадриллион метров в секунду в квадрате (летчик-истребитель обычно испытывает перегрузку в 10 метров в секунду в квадрате).

«Чтобы увидеть этот эффект за короткий промежуток времени, вам нужно невероятное ускорение», — говорит Вивишек Судхир. «Если бы вместо этого у вас было какое-то разумное ускорение, вам пришлось бы ждать огромное количество времени — больше, чем возраст Вселенной — чтобы увидеть измеримый эффект».

В чем тогда смысл? Во-первых, он говорит, что наблюдение за эффектом Унру будет подтверждением фундаментальных квантовых взаимодействий между материей и светом. А с другой стороны, обнаружение может представлять собой зеркало эффекта Хокинга — предложение физика Стивена Хокинга, которое предсказывает подобное тепловое свечение или «излучение Хокинга» от взаимодействия света и вещества в экстремальном гравитационном поле, например, вокруг черной дыры.

«Существует тесная связь между эффектом Хокинга и эффектом Унру — они в точности дополняют друг друга», — говорит Вивишек Судхир, добавляя, что если бы кто-то наблюдал эффект Унру, «был бы обнаружен механизм, который имеет общее для обоих эффектов».

Прозрачная траектория

Предполагается, что эффект Унру спонтанно возникает в вакууме. Согласно квантовой теории поля, вакуум — это не просто пустое пространство, а скорее поле беспокойных квантовых флуктуаций, каждая полоса частот которых имеет размеры примерно половины фотона. Унру предсказал, что тело, ускоряющееся в вакууме, должно усиливать эти флуктуации таким образом, что возникает тепловое свечение частиц.

В своем исследовании ученые представили новый подход к увеличению вероятности эффекта Унру, добавив свет ко всему сценарию — подход, известный как стимуляция.

«Когда вы добавляете фотоны в поле, вы добавляете в n раз больше этих флуктуаций, чем эта половина фотона в вакууме», — объясняет Вивишек Судхир. «Итак, если вы ускоритесь через это новое состояние поля, вы ожидаете увидеть эффекты, которые также масштабируются в n раз по сравнению с тем, что вы видите только из вакуума».

Однако, в дополнение к квантовому эффекту Унру, дополнительные фотоны также будут усиливать другие эффекты в вакууме — главный недостаток, который удерживает других охотников за эффектом Унру от использования подхода стимуляции.

Ученые нашли обходной путь с помощью концепции «прозрачности, вызванной ускорением», которую они представили в статье. Теоретически они показали, что если бы такое тело, как атом, можно было бы заставить ускоряться по очень специфической траектории через поле фотонов, то атом взаимодействовал бы с полем таким образом, что фотоны определенной частоты казались бы невидимыми для атома.

«Когда мы стимулируем эффект Унру, в то же время мы также стимулируем обычные или резонансные эффекты, но мы показываем, что, изменяя траекторию частицы, мы можем по существу отключить эти эффекты», — говорят исследователи.

Сделав прозрачными все другие эффекты, ученые могли бы иметь больше шансов измерить фотоны или тепловое излучение, исходящее только от эффекта Унру, как и предсказывали физики.

У исследователей уже есть некоторые идеи о том, как спланировать эксперимент на основе их гипотезы. Они планируют построить ускоритель частиц лабораторных размеров, способный разгонять электрон до скорости, близкой к скорости света, которую они затем будут стимулировать с помощью лазерного луча в микроволновом диапазоне длин волн. Они ищут способы изменить траекторию движения электрона, чтобы подавить классические эффекты и одновременно усилить неуловимый эффект Унру.

«Теперь у нас есть этот механизм, который, кажется, статистически усиливает этот эффект посредством стимуляции», — говорит Вивишек Судхир. «Учитывая 40-летнюю историю этой проблемы, мы теоретически устранили самое большое узкое место».

Исследование было опубликовано в Physical Review Letters.