Fizikçiler Uzun zamandır Aranan Kuantum Parıltısının Avına Çıkıyor

Yeni bir yaklaşım, anlaşılması zor Unruh etkisini milyarlarca yıl yerine saatler içinde tespit etmeyi mümkün kılabilir.

“Yıldız Savaşları” hayranları için, Millennium Falcon’un hiper uzaya atlarken kokpitinden görülen çizgili yıldızlar kanonik bir görüntüdür. Ama bir pilot uzay boşluğunda bir anda hızlanabilseydi gerçekte ne görürdü? Unruh etkisi olarak bilinen bir tahmine göre, kesinlikle sıcak bir parıltı görecekti.

İlk önerildiği 1970’lerden bu yana, Unruh etkisi, etkiyi görme olasılığının son derece küçük olması ve inanılmaz hızlanmalar veya geniş gözlem süreleri gerektirmesi nedeniyle tespit edilememiştir. Ancak araştırmacılar, MİT ve Waterloo Üniversitesi 26 Nisan 2022’de yayınlanan bir çalışmada tanımladıkları Unruh etkisini gözlemleme olasılığını önemli ölçüde artıracak bir mekanizma keşfettiklerine inanıyorlar. Fiziksel İnceleme Mektupları.

Daha önceki araştırmacıların geçmişte denediği gibi, etkiyi kendiliğinden gözlemlemek yerine, ekip, diğer rakip etkileri bastırırken Unruh etkisini artıran çok özel bir yolla fenomeni canlandırmayı öneriyor. Araştırmacılar, konseptlerini diğer geleneksel fenomenlerin üzerine bir görünmezlik pelerini dökmeye benzetiyorlar, bu da daha sonra çok daha az belirgin olan Unruh etkisini ortaya çıkarmalıdır.

Pratik bir deneyde gerçekleştirilebilirse, ek bir görünmezlik katmanı (veya makalede anlatıldığı gibi “hızlanma kaynaklı şeffaflık”) ile bu yeni uyarılmış yaklaşım, Unruh etkisinin gözlemlenme olasılığını büyük ölçüde artırabilir. Hızlanan bir parçacığın Unruh etkisinin öngördüğü gibi sıcak bir parıltı üretmesini evrenin yaşından daha uzun süre beklemek yerine, ekibin yaklaşımı bu bekleme süresini birkaç saate indirecek.

MIT’de makine mühendisliği yardımcı doçenti olan ve çalışmanın ortak yazarı Vivishek Sudhir, “Şimdi en azından yaşamlarımızda bu etkiyi gerçekten görme şansımız olduğunu biliyoruz” diyor. grup teorisi. “Zor bir deney ve bunu yapabileceğimizin garantisi yok, ancak bu fikir bizim en yakın umudumuz.”

Çalışmanın ortak yazarları arasında Waterloo Üniversitesi’nden Barbara Šoda ve Achim Kempf de yer alıyor.

Yakın bağlantı

Unruh etkisi, başlangıçta onu öneren üç fizikçiden sonra Fulling-Davies-Unruh etkisi olarak da bilinir. Tahmin, bir boşlukta hızlanan bir cismin aslında yalnızca vücudun hızlanmasının bir etkisi olarak sıcak radyasyonun varlığını hissetmesi gerektiğini belirtir. Bu etki, hızlandırılmış madde ile boş uzay boşluğundaki kuantum dalgalanmaları arasındaki kuantum etkileşimleri ile ilgilidir.

Dedektörlerin ölçebileceği kadar sıcak bir ışıma üretmek için, atom ışık hızına saniyenin milyonda birinden daha kısa sürede hızlanması gerekirdi. Böyle bir ivme, katrilyon metre bölü saniye karelik bir g-kuvvetine eşdeğer olacaktır (bir savaş pilotu tipik olarak, saniyede 10 metre karelik bir g-kuvvetini deneyimler).

Sudhir, “Bu etkiyi kısa sürede görmek için inanılmaz bir ivmeye sahip olmanız gerekir” diyor. “Bunun yerine makul bir ivmeye sahip olsaydınız, ölçülebilir bir etki görmek için devasa bir süre – evrenin yaşından daha uzun – beklemeniz gerekirdi.”

O halde mesele ne olurdu? Birincisi, Unruh etkisini gözlemlemenin, madde ve ışık arasındaki temel kuantum etkileşimlerinin bir doğrulaması olacağını söylüyor. Ve bir diğeri için, algılama, Hawking etkisinin bir aynasını temsil edebilir – fizikçi Stephen Hawking’in benzer bir termal ışımayı veya “Hawking radyasyonunu” öngören bir önerisi, aşırı yerçekimi alanındaki ışık ve madde etkileşimlerinden, örneğin bir çevredeki gibi. Kara delik.

Sudhir, “Hawking etkisi ile Unruh etkisi arasında yakın bir bağlantı var – bunlar tam olarak birbirlerinin tamamlayıcı etkisi” diyor ve ekliyor: her iki etki için de ortaktır.”

Şeffaf bir yörünge

Unruh etkisinin bir boşlukta kendiliğinden meydana geldiği tahmin edilmektedir. Kuantum alan teorisine göre, bir boşluk sadece boş uzay değil, daha ziyade her bir frekans bandının yaklaşık yarım foton büyüklüğünde olduğu, huzursuz kuantum dalgalanmaları alanıdır. Unruh, boşlukta hızlanan bir cismin bu dalgalanmaları, parçacıkların sıcak, termal bir parıltısını üretecek şekilde büyütmesi gerektiğini öngördü.

Araştırmacılar yaptıkları çalışmada, tüm senaryoya ışık ekleyerek Unruh etkisinin olasılığını artırmak için yeni bir yaklaşım ortaya koydular – bu yaklaşım, uyarım olarak bilinir.

Sudhir, “Alaya foton eklediğinizde, bu dalgalanmaların ‘n’ katı, boşluktaki bu yarım fotondan daha fazlasını eklersiniz,” diye açıklıyor. “Yani, alanın bu yeni durumunda hızlanırsanız, yalnızca boşluktan göreceğinizin ‘n’ katı kadar ölçeklenen etkiler görmeyi beklersiniz.”

Bununla birlikte, kuantum Unruh etkisine ek olarak, ek fotonlar aynı zamanda vakumdaki diğer etkileri de artıracaktır – Unruh etkisinin diğer avcılarını stimülasyon yaklaşımını benimsemekten alıkoyan büyük bir dezavantaj.

Ancak Šoda, Sudhir ve Kempf, makalede tanıttıkları bir kavram olan “hızlanma kaynaklı şeffaflık” yoluyla bir çözüm buldular. Teorik olarak, bir atom gibi bir cismin bir foton alanı boyunca çok özel bir yörünge ile hızlanması sağlanabilseydi, atomun alanla belirli bir frekanstaki fotonların esasen görünmez görüneceği şekilde alanla etkileşime gireceğini gösterdiler. atom.

Šoda, “Unruh etkisini uyardığımızda, aynı zamanda geleneksel veya rezonans efektleri de uyarıyoruz, ancak parçacığın yörüngesini değiştirerek bu etkileri esasen kapatabileceğimizi gösteriyoruz” diyor.

Diğer tüm etkileri şeffaf hale getirerek, araştırmacılar, fizikçilerin öngördüğü gibi, fotonları veya yalnızca Unruh etkisinden gelen termal radyasyonu ölçmek için daha iyi bir şansa sahip olabilirler.

Araştırmacılar, hipotezlerine dayalı olarak bir deneyin nasıl tasarlanacağı konusunda zaten bazı fikirlere sahipler. Bir elektronu ışık hızına yaklaştırabilecek ve daha sonra mikrodalga dalga boylarında bir lazer ışını kullanarak uyaracakları laboratuvar boyutunda bir parçacık hızlandırıcısı yapmayı planlıyorlar. Bir yandan anlaşılması güç Unruh etkisini güçlendirirken, diğer yandan klasik etkileri bastırmak için elektronun yolunu tasarlamanın yollarını arıyorlar.

Sudhir, “Artık bu etkiyi uyarım yoluyla istatistiksel olarak güçlendiren bu mekanizmaya sahibiz” diyor. “Bu sorunun 40 yıllık geçmişi göz önüne alındığında, teoride şimdi en büyük darboğazı düzelttik.”

Referans: Barbara Šoda, Vivishek Sudhir ve Achim Kempf tarafından yazılan “Uyarılmış Işık-Madde Etkileşimlerinde Hızlanmanın Neden Olduğu Etkiler”, 21 Nisan 2022, Fiziksel İnceleme Mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.163603

Bu araştırma kısmen Kanada Ulusal Bilim ve Mühendislik Araştırma Konseyi, Avustralya Araştırma Konseyi ve Google Fakülte Araştırma Ödülü tarafından desteklenmiştir.