Physiker machten sich auf die Suche nach einem lang ersehnten Quantenglühen

Für Star Wars-Fans sind die funkelnden Sterne, die aus dem Cockpit des Millennium Falcon zu sehen sind, der in den Hyperraum springt, ein unverzichtbares Bild. Aber was würde ein Pilot tatsächlich sehen, wenn er in einem Augenblick durch das Vakuum des Weltraums beschleunigen könnte? Gemäß einer Vorhersage, die als Unruh-Effekt bekannt ist, ist es wahrscheinlicher, dass Sie ein warmes Leuchten sehen.

Seit den 1970er Jahren, als er erstmals vorgeschlagen wurde, hat sich der Unruh-Effekt der Entdeckung entzogen, hauptsächlich weil die Wahrscheinlichkeit, den Effekt zu sehen, sehr gering ist und entweder massive Beschleunigungen oder enorme Mengen an Beobachtungszeit erfordert. Aber Forscher am MIT und der University of Waterloo glauben, dass sie einen Weg gefunden haben, die Wahrscheinlichkeit, den Unruh-Effekt zu beobachten, dramatisch zu erhöhen, was sie in einer Studie beschreiben, in der sie erscheinen Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Anstatt den Effekt automatisch zu bemerken, wie andere es in der Vergangenheit versucht haben, schlägt das Team vor, das Phänomen auf eine ganz besondere Weise zu stimulieren, die den Unruh-Effekt verstärkt, während andere konkurrierende Effekte unterdrückt werden. Die Forscher verglichen ihre Idee mit dem Werfen Unsichtbarkeitsumhang auf andere traditionelle Phänomene, die dann den weniger offensichtlichen Einfluss von Unruh offenbaren sollten.

Wenn dies in einem praktischen Experiment erreicht werden kann, könnte dieser neuartige katalytische Ansatz mit einer zusätzlichen Latenzschicht (oder „beschleunigungsinduzierter Transparenz“, wie in der Veröffentlichung beschrieben) die Wahrscheinlichkeit der Beobachtung des Unruh-Effekts erheblich erhöhen. Anstatt länger als das Alter des Universums darauf zu warten, dass das beschleunigende Teilchen ein warmes Leuchten erzeugt, wie es der Unruh-Effekt vorhersagt, verkürzt der Ansatz des Teams die Wartezeit auf wenige Stunden.

Der Co-Autor der Studie, Viveshik Sudhir, ein Assistenzprofessor für Maschinenbau am MIT, der ein Experiment entwickelt, um auf der Grundlage der Gruppentheorie etwas über den Effekt zu erfahren, sagt. „Es ist eine schwierige Erfahrung und es gibt keine Garantie, dass wir es schaffen werden, aber diese Idee ist unsere größte Hoffnung.“

Zu den Co-Autoren der Studie gehören Barbara Chuda und Achim Kempf von der University of Waterloo.

nahe Anruf

Der Unruh-Effekt ist nach den drei Physikern, die ihn ursprünglich vorgeschlagen haben, auch als Fulling-Davies-Unruh-Effekt bekannt. Die Vorhersage besagt, dass ein Objekt, das durch ein Vakuum beschleunigt, tatsächlich die Anwesenheit von warmer Strahlung spüren sollte, die lediglich ein Effekt der Beschleunigung des Objekts ist. Dieser Effekt hat mit Quantenwechselwirkungen zwischen beschleunigender Materie und Quantenfluktuationen im leeren Raum des Weltraums zu tun.

Um ein Leuchten zu erzeugen, das warm genug ist, damit die Detektoren es messen können, müsste ein Objekt wie ein Atom beschleunigt werden Lichtgeschwindigkeit In weniger als einer millionstel Sekunde. Eine solche Beschleunigung würde einer Gravitationskraft von einer Billiarde Meter pro Quadratsekunde entsprechen (ein Kampfpilot erfährt typischerweise eine Widerstandskraft von 10 Metern pro Quadratsekunde).

„Um diesen Effekt in so kurzer Zeit zu sehen, muss man eine erstaunliche Beschleunigung haben“, sagt Sudhir. „Wenn Sie stattdessen eine vernünftige Beschleunigung hätten, müssten Sie eine enorme Zeit warten – länger als das Alter des Universums -, um einen messbaren Effekt zu sehen.“

Was ist denn das Ziel? Beispielsweise würde die Beobachtung des Unruh-Effekts als Beweis für fundamentale Quantenwechselwirkungen zwischen Materie und Licht dienen. Andererseits könnte die Entdeckung den Hawking-Effekt widerspiegeln – ein Vorschlag des Physikers Stephen Hawking, der ein ähnliches thermisches Leuchten oder „Hawking-Strahlung“ durch Wechselwirkungen von Licht und Materie in einem intensiven Gravitationsfeld, wie etwa um ein Schwarzes Loch, vorhersagt.

„Es gibt eine enge Verbindung zwischen dem Hawking-Effekt und dem Unruh-Effekt – sie sind genau die komplementären Effekte zueinander“, sagt Sudhir und fügt hinzu, wenn man den Unruh-Effekt beobachtet hätte, „hätte man einen gemeinsamen Mechanismus für beide Effekte beobachtet .“

transparenter Weg

Es wird erwartet, dass der Unruh-Effekt spontan im Vakuum auftritt. für mich QuantenfeldtheorieVakuum ist nicht nur ein leerer Raum, es ist ein turbulentes Feld QuantenfluktuationenMit allen Frequenzbereich Es misst etwa die Größe eines halben Photons. Unruh sagte voraus, dass ein Objekt, das durch ein Vakuum beschleunigt wird, diese Schwankungen auf eine Weise verstärken sollte, die ein warmes thermisches Leuchten der Partikel erzeugt.

In ihrer Studie stellten die Forscher einen neuen Ansatz vor, um die Wahrscheinlichkeit des Unruh-Effekts zu erhöhen, indem sie dem gesamten Szenario Licht hinzufügten – ein Ansatz, der als Stimulus bekannt ist.

„Wenn Sie dem Feld Photonen hinzufügen, fügen Sie mehr dieser Schwankungen hinzu, als die Hälfte des Photons im Vakuum ist“, erklärt Sudhir. „Wenn Sie also durch diesen neuen Zustand des Feldes beschleunigen, erwarten Sie Effekte, die auch messen, wie oft Sie allein aus der Leere sehen könnten.“

Zusätzlich zum Quanten-Unruh-Effekt verstärken die zusätzlichen Photonen jedoch auch die anderen Effekte StaubsaugerEin großer Fehler hinderte andere Unruh-Effekt-Jäger daran, den Stimulus-Ansatz zu wählen.

Aude, Sudhir und Kempf fanden jedoch eine Lösung durch „beschleunigungsinduzierte Transparenz“, ein Konzept, das sie in das Papier einführten. Sie zeigten theoretisch, dass, wenn ein Objekt wie ein Atom dazu gebracht werden könnte, auf einem ganz bestimmten Weg durch das Feld von Photonen zu beschleunigen, das Atom mit dem Feld so interagiert, dass Photonen einer bestimmten Frequenz für das Atom im Wesentlichen unsichtbar erscheinen würden .

„Wenn wir den Unruh-Effekt stimulieren, stimulieren wir gleichzeitig auch die konventionellen oder resonanten Effekte, aber wir zeigen, dass wir diese Effekte im Wesentlichen ausschalten können, indem wir die Flugbahn des Teilchens manipulieren“, sagt Aude.

Indem alle anderen Effekte transparent gemacht werden, haben Forscher eine bessere Messmöglichkeit Photonenoder nur Wärmestrahlung aus dem Unruh-Effekt, wie Physiker vorhersagten.

Die Forscher haben bereits einige Ideen, wie sie ein Experiment auf der Grundlage ihrer Hypothese entwerfen könnten. Sie planen, einen Teilchenbeschleuniger in Laborgröße zu bauen, der in der Lage ist, ein Elektron auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, das sie dann mit einem Laserstrahl bei Mikrowellenwellenlängen anregen werden. Sie suchen nach Möglichkeiten, den Elektronenweg zu manipulieren, um klassische Effekte zu unterdrücken und gleichzeitig den schwer fassbaren Unruh-Effekt zu verstärken.

„Wir haben jetzt diesen Mechanismus, der diesen Effekt durch Stimulation statistisch zu verstärken scheint“, sagt Sudhir. „Angesichts der 40-jährigen Geschichte dieses Problems haben wir jetzt theoretisch den größten Engpass behoben.“