Teorinėje fizikoje gausu keistų ir nuostabių sąvokų: kirmgraužos, kvantinės putos ir daugialypės dėmės. Problema ta, kad nors tokie dalykai lengvai išplaukia iš teoretikų lygčių, jų praktiškai neįmanoma sukurti ir išbandyti laboratorijoje. Tačiau vienai tokiai „nepatikrinamai“ teorijai eksperimentinė sąranka gali būti tik horizonte.
Masačusetso technologijos instituto ir Vaterlo universiteto Ontarijo valstijoje mokslininkai teigia radę būdą, kaip išbandykite Unruh efektą, keistas reiškinys, kuris, kaip prognozuojama, kyla iš objektų, judančių tuščioje erdvėje. Jei mokslininkai sugebės stebėti poveikį, žygdarbis galėtų patvirtinti kai kurias senas prielaidas apie juodųjų skylių fiziką. Jų pasiūlymas buvo paskelbtas m Fizinės apžvalgos laiškai balandžio 21 dieną.
Jei galėtumėte stebėti Unruh efektą asmeniškai, tai gali atrodyti kaip peršokimas į hipererdvę Tūkstantmečio sakalas– staigus šviesos pliūpsnis, išsklaidantis jūsų vaizdą į šiaip juodą tuštumą. Kai objektas įsibėgėja vakuume, jis apgaubiamas šiltu žėrinčių dalelių apsiaustu. Kuo greitesnis pagreitis, tuo šiltesnis švytėjimas. „Tai nepaprastai keista“, nes vakuumas pagal apibrėžimą turėtų būti tuščias, – aiškina kvantinis fizikas Vivishek Sudhir iš MIT, vienas iš tyrimo bendraautorių. – Žinai, iš kur tai atsirado?
Tai, iš kur tai kyla, yra susiję su tuo, kad vadinamoji tuščia erdvė nėra visiškai tuščia, o užpildyta persidengiančiais energetiniais kvantiniais laukais. Dėl šių laukų svyravimų gali atsirasti fotonų, elektronų ir kitų dalelių, o juos gali sukelti greitėjantis kūnas. Iš esmės objektas, lekiantis per lauką permirkusį vakuumą, pasiima dalį lauko energijos, kuri vėliau išspinduliuojama kaip Unruh spinduliuotė.
Poveikis pavadintas teorinio fiziko Billo Unruho vardu, kuris 1976 m. aprašė savo to paties pavadinimo reiškinį. Tačiau du kiti tyrėjai – matematikas Stephenas Fullingas ir fizikas Paulas Daviesas – formulę sukūrė savarankiškai per trejus metus nuo Unruh (atitinkamai 1973 ir 1975 m. ).
„Aš tai puikiai prisimenu“, – sako Daviesas, kuris dabar yra Arizonos valstijos universiteto Regents profesorius. „Skaičiavimus atlikau sėdėdamas prie žmonos tualetinio staliuko, nes neturėjau nei rašomojo stalo, nei biuro.
Po metų Daviesas susitiko su Unruh konferencijoje, kurioje Unruh skaitė paskaitą apie savo naujausią proveržį. Daviesas nustebo išgirdęs, kad Unruh apibūdino labai panašų reiškinį į tai, kas paaiškėjo iš jo paties tualetinio stalo skaičiavimų. „Ir taip vėliau susirinkome bare“, – prisimena Daviesas. Jiedu greitai užmezgė bendradarbiavimą, kuris tęsėsi keletą metų.
Daviesas, Fullingas ir Unruhas savo darbą vertino grynai teoriniu požiūriu; jie niekada nesitikėjo, kad kas nors sukurs realaus pasaulio eksperimentą. Tačiau technologijoms tobulėjant, idėjos, kurios kažkada buvo nustumtos į teorijos pasaulį, pavyzdžiui, gravitacinės bangos ir Higso bozonas, gali būti pasiekiamos faktiškai stebint. O Unruh efekto stebėjimas, pasirodo, galėtų padėti įtvirtinti kitą tolimą fizikos koncepciją.
„Priežastis, dėl kurios žmonės dirba ties Unruh efektu, nėra ta, kad jie mano, kad pagreitinti stebėtojai yra tokie svarbūs“, – sako Christophas Adami, fizikos, astronomijos ir molekulinės biologijos profesorius iš Mičigano valstijos universiteto, kuris tyrime nedalyvavo. „Jie dirba ties tuo, nes yra tiesioginis ryšys su juodųjų skylių fizika.
Iš esmės Unruh efektas yra kur kas garsesnio fizikos reiškinio atvirkštinė pusė: Hokingo spinduliuotė, pavadinta fiziko Stepheno Hawkingo vardu, kuris teigė, kad iš juodųjų skylių lėtai išgaruojant turėtų nutekėti beveik nepastebimas šviesos aureolė.
Hawkingo spinduliuotės atveju tas šiltas neryškus efektas iš esmės yra dalelių, kurias gravitacija įtraukia į juodąją skylę, rezultatas. Tačiau Unruh efekto atveju tai yra pagreičio klausimas, o tai pagal Einšteino ekvivalentiškumo principą yra gravitacijos matematinė lygybė.
Įsivaizduokite, kad stovite lifte. Su trenksmu automobilis išskuba į kitą aukštą ir akimirką pasijunti traukiamas link grindų. Jūsų požiūriu, „to iš esmės neįmanoma atskirti nuo staiga atsiradusios Žemės gravitacijos“, – sako Sudhiras.
Tas pats pasakytina, sako jis, iš matematikos perspektyvos. „Tai taip paprasta: yra lygiavertiškumas tarp gravitacijos ir pagreičio“, – priduria Sudhiras.
Nepaisant jo teorinės svarbos, mokslininkai dar nepastebėjo Unruh efekto. (Ir tai jiems taip pat nepavyko pamatyti Hawkingo spinduliuotės.) Taip yra todėl, kad Unruh efektą jau seniai buvo sunku išbandyti eksperimentiškai. Daugeliu atvejų tyrėjams tektų paveikti objektą absurdiškais pagreičiais – daugiau nei 25 kvintilijonas kartų didesnė už Žemės gravitacijos jėgą, kad susidarytų išmatuojama emisija. Arba gali būti naudojami labiau prieinami pagreičiai, tačiau tokiu atveju tikimybė, kad bus sukurtas aptinkamas efektas, būtų tokia maža, kad toks eksperimentas turėtų tęstis nepertraukiamai milijardus metų. Tačiau Sudhiras ir jo bendraautoriai mano, kad jie rado spragą.
Sulaikydami vieną elektroną vakuume su magnetiniu lauku, tada pagreitindami jį per kruopščiai sukonfigūruotą fotonų vonią, tyrėjai suprato, kad jie gali „stimuliuoti“ dalelę, dirbtinai sumušdami ją iki didesnės energijos būsenos. Ši papildoma energija padidina pagreičio poveikį, o tai reiškia, kad tyrėjai, naudodami patį elektroną kaip jutiklį, galėtų atpažinti Unruh spinduliuotę, supančią dalelę, nenaudodami tiek daug g jėgų (arba laukdami eonus).
Deja, energiją didinanti fotonų vonia taip pat prideda foninio „triukšmo“, sustiprindama kitus kvantinio lauko efektus vakuume. „Būtent to nenorime, kad nutiktų“, – sako Sudhiras. Tačiau atidžiai kontroliuodami elektrono trajektoriją, eksperimentuotojai turėtų sugebėti panaikinti šį galimą trukdymą – procesą, kurį Sudhiras prilygina nematomo apsiausto užmetimui ant dalelės.
Ir skirtingai nuo rinkinio, reikalingo daugeliui kitų pažangiausių dalelių fizikos eksperimentų, tokių kaip milžiniški superlaidūs magnetai ir CERN didelio hadronų greitintuvo besidriekiančios spinduliuotės linijos, mokslininkai teigia, kad jų Unruh efekto modeliavimą būtų galima sukurti daugumoje universitetų laboratorijų. „Tai nebūtinai turi būti koks nors didžiulis eksperimentas“, – sako bendraautorė Barbara Šoda, Vaterlo universiteto fizikė. Tiesą sakant, Sudhiras ir jo mokslų daktaras. studentai šiuo metu kuria versiją, kurią ketina iš tikrųjų sukurti ir kurią tikisi paleisti per ateinančius kelerius metus.
Adami mano, kad naujasis tyrimas yra elegantiška kelių skirtingų disciplinų, įskaitant klasikinę fiziką, atominę fiziką ir kvantinio lauko teoriją, sintezė. „Manau, kad šis dokumentas yra teisingas“, – sako jis. Tačiau panašiai kaip ir pats Unruh efektas, „tam tikru mastu aišku, kad šis skaičiavimas buvo atliktas anksčiau“.
Daviesui galimybė išbandyti efektą gali atverti naujas įdomias duris tiek teorinei, tiek taikomajai fizikai, toliau patvirtinant beveik nepastebimus reiškinius, kuriuos prognozuoja teoretikai, plečiant įrankių rinkinį, kurį eksperimentatoriai gali naudoti tyrinėdami gamtą. „Fizikoje tokia sėkminga disciplina yra ta, kad eksperimentas ir teorija labai žengia koja kojon“, – sako jis. „Abu yra užblokuoti“. Unruh efekto išbandymas žada būti aukščiausias pasiekimas abiem.