Ефект Унруха: фізики сподіваються виявити квантове світіння

Для фанатів "Зоряних воєн" смужки зірок, які видно з кабіни "Тисячолітнього сокола" під час переходу в гіперпростір, є канонічним образом. Але що насправді побачив би пілот, якби його корабель міг миттєво прискорюватися у відкритому космосі? Згідно з ефектом Унруха, - тепле світіння.

Ефект Унруха

З 1970-х років, коли його було вперше сформульовано, ефект Унруха вислизав від виявлення, головним чином тому, що ймовірність побачити це незвичайне явище нескінченно мала і вимагає або величезних прискорень, або нескінченного часу спостереження.

Однак дослідники з Массачусетського технологічного інституту та Університету Ватерлоо вважають, що знайшли спосіб значно збільшити ймовірність спостереження ефекту Унруха, про що вони детально розповіли в дослідженні, опублікованому в журналі Physical Review Letters.

Замість того щоб спостерігати ефект спонтанно, як це намагалися зробити інші астрономи, команда пропонує стимулювати явище, причому в вельми специфічний спосіб, пригнічуючи інші аналогічні ефекти.

Дослідники порівнюють свою ідею з накиданням плаща-невидимки на інші звичайні явища, який потім має виявити набагато менш очевидний ефект Унруха.

Якщо експеримент вдасться реалізувати на практиці, цей новий стимульований підхід із додатковою прозорістю, спричиненою прискоренням, може значно збільшити ймовірність спостереження ефекту Унруха.

Замість того, щоб чекати довше, ніж вік Всесвіту, поки прискорювана частинка зробить тепле світіння, підхід команди скорочує час очікування до декількох годин.

"Тепер, принаймні, ми знаємо, що протягом нашого життя є шанс побачити цей ефект", - каже співавтор дослідження Вівішек Судхір, доцент кафедри машинобудування Массачусетського технологічного інституту, який розробив технологічну сторону експерименту. Серед співавторів дослідження також Барбара Шода та Ахім Кемпф з Університету Ватерлоо.

Тісний зв'язок

Ефект Унруха також відомий як ефект Фуллінга-Девіса-Унруха, за ім'ям трьох фізиків-авторів. Пророцтво свідчить, що тіло, яке прискорюється у вакуумі, має відчувати присутність теплового випромінювання виключно як ефект прискорення тіла. Цей ефект пов'язаний із квантовими взаємодіями між матерією, що прискорюється, і квантовими флуктуаціями в порожньому просторі.

Щоб створити досить тепле світіння для вимірювання детекторами, об'єкт, наприклад, атом, має розігнатися до швидкості світла менш ніж за мільйонну частку секунди. Таке прискорення було б еквівалентним силі g у квадрильйон метрів на секунду в квадраті (пілот винищувача зазвичай відчуває прискорення g у 10 метрів на секунду за секунду).

"Щоб побачити такий ефект за короткий проміжок часу, потрібно мати неймовірне прискорення, - каже Судхір. - Якби замість цього у вас було якесь розумне прискорення, вам довелося б чекати на гігантську кількість часу - більшу, ніж вік Всесвіту, - щоб побачити вимірюваний ефект".

У чому ж тоді сенс?

По-перше, спостереження ефекту Унруха стало б підтвердженням фундаментальних квантових взаємодій між матерією і світлом.
По-друге, виявлений ефект може бути дзеркальним віддзеркаленням випромінювання Гокінга, аналогічного тепловому світінню в результаті взаємодії світла і матерії в екстремальному гравітаційному полі, наприклад, навколо чорної діри.

"Існує тісний зв'язок між ефектом Гокінга та ефектом Унруха - вони в точності доповнюють один одного", - переконаний Судхір, додаючи, що якби спостерігався ефект Унруха, "то спостерігався б механізм, спільний для обох ефектів".

Прозора траєкторія

Передбачається, ефект Унруха спонтанно виникає у вакуумі. Квантова теорія поля говорить, що вакуум - це не просто порожній простір, а радше поле неспокійних квантових флуктуацій, кожна частотна смуга яких має розмір приблизно в половину фотона. Унрух передбачив, що тіло, яке прискорюється у вакуумі, має посилювати ці флуктуації таким чином, що виникає теплове світіння частинок.

У своєму дослідженні вчені застосували новий підхід для збільшення ймовірності спостереження ефекту Унруха, додавши світло до наукового сценарію.

"Коли ви додаєте фотони в поле, ви додаєте в n разів більше флуктуацій, ніж половина фотона, що перебуває у вакуумі, - пояснює Судхір. - Тому, якщо ви прискорюєте новий стан поля, ви очікуєте побачити ефекти, які також у n разів більші, ніж у вакуумі".

Крім того, додаткові фотони посилюватимуть інші ефекти, - і це головний недолік, який утримував дослідників від застосування стимулюючого підходу.

Судхір і його команда знайшли обхідний шлях, використовуючи "прозорість, викликану прискоренням" - поняття, яке вони вводять у статті.

Фізики продемонстрували, що якщо змусити об'єкт прискорюватися за дуже специфічною траєкторією через поле фотонів, то, наприклад, атом буде взаємодіяти з полем у такий спосіб, що фотони певної частоти виявляться невидимими для атома.

"Коли ми стимулюємо ефект Унруха, одночасно ми стимулюємо і звичайні, або резонансні, ефекти, але ми показуємо, що, змінюючи траєкторію частинки, ми можемо, по суті, вимкнути ці ефекти", - пояснюється в дослідженні.

Зробивши всі інші ефекти прозорими, фізики зможуть отримати більше шансів виміряти фотони або теплове випромінювання, що виходить тільки від ефекту Унруха.

У дослідників вже є деякі ідеї щодо того, як розробити експеримент, заснований на їхній гіпотезі. Вони планують побудувати лабораторний прискорювач частинок, здатний розігнати електрон до швидкості, близької до швидкості світла, який потім будуть стимулювати за допомогою лазерного променя на мікрохвильових хвилях.

Наразі вчені шукають способи спланувати шлях електрона так, щоб придушити класичні ефекти і одночасно посилити невловимий ефект Унруха.

"Тепер у нас є механізм, який, схоже, статистично підсилює цей ефект через стимуляцію, - пояснює Судхір. - З огляду на 40-річну історію проблеми, ми теоретично усунули найбільше вузьке місце".