Нов експеримент със скорост на деформация най-накрая може да предложи индиректен тест на най-известното предсказание на Стивън Хокинг за черните дупки.
Новото изследване предполага, че чрез подтикване на атом да стане невидим, учените биха могли да зърнат ефирното квантово сияние, което обгръща обекти, пътуващи със скорост, близка до тази на светлината.
Ефектът на сияние, наречен ефект Unruh (или Fulling-Davies-Unruh), кара пространството около бързо ускоряващи се обекти привидно да бъде запълнено от рояк от виртуални частици, окъпващи тези обекти в топло сияние. Тъй като ефектът е тясно свързан с ефекта на Хокинг – при който виртуални частици, известни като радиация на Хокинг, спонтанно изскачат по ръбовете на черните дупки – учените отдавна отбелязват единия като намек за съществуването на другия.
Но забелязването на който и да е от двата ефекта е невероятно трудно. Радиацията на Хокинг се появява само около ужасяващата пропаст на черна дупка и постигането на ускорението, необходимо за ефекта на Unruh, вероятно ще изисква изкривяване. Сега едно революционно ново предложение, публикувано в проучване от 26 април в списанието Physical Review Letters, може да промени това. Неговите автори казват, че са разкрили механизъм за драматично увеличаване на силата на ефекта Unruh чрез техника, която ефективно може да направи материята невидима.
„Сега поне знаем, че има шанс в живота ни да видим този ефект“, каза в изявление съавторът Вивишек Судхир, асистент по машинно инженерство в Масачузетския технологичен институт и дизайнер на новия експеримент. „Това е труден експеримент и няма гаранция, че ще успеем да го направим, но тази идея е най-близката ни надежда.“
Предложен за първи път от учени през 70-те години на миналия век, ефектът Unruh е едно от многото предсказания, които произлизат от квантовата теория на полето. Според тази теория няма такова нещо като празен вакуум. Всъщност всеки джоб на пространството е натъпкан с безкрайни квантови вибрации, които, ако им бъде дадена достатъчно енергия, могат спонтанно да изригнат в двойки частица-античастица, които почти незабавно се унищожават взаимно. И всяка частица — било то материя или светлина — е просто локализирано възбуждане на това квантово поле.
През 1974 г. Стивън Хокинг прогнозира, че екстремната гравитационна сила, която се усеща по ръбовете на черните дупки – техните хоризонти на събития – също ще създаде виртуални частици.
Гравитацията, според общата теория на относителността на Айнщайн, изкривява пространство-времето, така че квантовите полета стават по-изкривени, колкото повече се доближават до огромното гравитационно привличане на сингулярността на черната дупка. Поради несигурността и странността на квантовата механика, това изкривява квантовото поле, създавайки неравномерни джобове от различно движещо се време и последващи пикове на енергия в полето. Именно тези енергийни несъответствия карат виртуалните частици да се появяват от това, което изглежда като нищо в периферията на черните дупки.
„Смята се, че черните дупки не са изцяло черни“, каза в изявление водещият автор Барбара Шода, докторант по физика в Университета на Ватерло в Канада. „Вместо това, както откри Стивън Хокинг, черните дупки трябва да излъчват радиация.“
Подобно на ефекта на Хокинг, ефектът Unruh също създава виртуални частици чрез странното сливане на квантовата механика и релативистичните ефекти, предсказани от Айнщайн. Но този път, вместо изкривяванията да бъдат причинени от черните дупки и общата теория на относителността, те идват от близки скорости на светлината и специалната теория на относителността, която диктува, че времето тече по-бавно, колкото по-близо един обект се приближава до скоростта на светлината.
Според квантовата теория, стационарен атом може да увеличи енергията си само като изчака истински фотон да възбуди един от неговите електрони. За ускоряващ се атом обаче флуктуациите в квантовото поле могат да се добавят, за да изглеждат като истински фотони. От гледна точка на ускоряващия се атом, той ще се движи през тълпа от топли светлинни частици, всички от които го нагряват. Тази топлина би била издайнически знак за ефекта на Unruh.
Но ускоренията, необходими за постигане на ефекта, са далеч отвъд силата на всеки съществуващ ускорител на частици. Един атом би трябвало да се ускори до скоростта на светлината за по-малко от една милионна част от секундата – изпитвайки сила от квадрилион метра в секунда на квадрат – за да произведе блясък, достатъчно горещ, за да може да забележи текущите детектори.
„За да видите този ефект за кратък период от време, ще трябва да имате някакво невероятно ускорение“, каза Судхир. „Ако вместо това имахте някакво разумно ускорение, ще трябва да изчакате огромно количество време – по-дълго от възрастта на Вселената – за да видите измерим ефект.
За да направят ефекта осъществим, изследователите предлагат гениална алтернатива. Квантовите флуктуации се уплътняват от фотоните, което означава, че атом, накаран да се движи през вакуум, докато е ударен от светлина от лазер с висок интензитет, на теория може да доведе до ефекта на Unruh, дори при сравнително малки ускорения. Проблемът обаче е, че атомът може да взаимодейства и с лазерната светлина, поглъщайки я, за да повиши енергийното ниво на атома, произвеждайки топлина, която би заглушила топлината, генерирана от ефекта на Unruh.
Но изследователите откриват още едно решение: техника, която наричат прозрачност, предизвикана от ускорение. Ако атомът е принуден да следва много специфичен път през поле от фотони, атомът няма да може да „вижда“ фотоните с определена честота, което ги прави по същество невидими за атома. Така че чрез последователно свързване на всички тези заобиколни решения екипът ще може да тества за ефекта на Unruh при тази специфична честота на светлината.
Превръщането на този план в реалност е трудна задача. Учените планират да изградят ускорител на частици с лабораторен размер, който ще ускорява електрона до скорости на светлината, докато го удря с микровълнов лъч. Ако успеят да открият ефекта, те планират да проведат експерименти с него, особено тези, които ще им позволят да изследват възможните връзки между теорията на относителността на Айнщайн и квантовата механика.
„Теорията на общата теория на относителността и теорията на квантовата механика в момента все още са донякъде в противоречие, но трябва да има обединяваща теория, която описва как функционират нещата във Вселената“, казва съавторът на изслидването Ахим Кемпф, професор по приложна математика в Университета Ватерло. „Търсихме начин да обединим тези две големи теории и тази работа ни помага да се сближим, като отваря възможности за тестване на нови теории срещу експерименти.“
