För fyrtio år sedan, Den kanadensiska fysikern Bill Unruh gjorde en överraskande förutsägelse om kvantfältteori. Känd som Unruh-effekten, hans teori förutspådde att en accelererande observatör skulle badas i svartkroppsstrålning, medan en tröghetsobservatör inte skulle utsättas för någon. Finns det något bättre sätt att markera 40-årsjubileet av denna teori än att fundera över hur den kan påverka människor som försöker relativistiska rymdresor?

Sådan var avsikten bakom en ny studie av ett team av forskare från Sao Paulo, Brasilien. I huvudsak, de överväger hur Unruh-effekten skulle kunna bekräftas med hjälp av ett enkelt experiment som bygger på befintlig teknologi. Inte bara skulle detta experiment bevisa en gång för alla om Unruh-effekten är verklig, det kan också hjälpa oss att planera för dagen då interstellära resor blir verklighet.

För att uttrycka det i lekmannatermer, Einsteins relativitetsteori säger att tid och rum är beroende av observatörens tröghetsreferensram. I överensstämmelse med detta är teorin att om en observatör färdas med konstant hastighet genom ett tomt vakuum, de kommer att finna att temperaturen för nämnda vakuum är absolut noll. Men om de skulle börja accelerera, temperaturen i det tomma utrymmet skulle bli varmare.

Detta är vad William Unruh – en teoretiker från University of British Columbia (UBC), Vancouver – hävdade 1976. Enligt hans teori, en observatör som accelererar genom rymden skulle utsättas för ett "termiskt bad" – det vill säga fotoner och andra partiklar – som skulle intensifieras ju mer de accelererade. Tyvärr, ingen har någonsin kunnat mäta denna effekt, eftersom det inte finns något rymdskepp som kan uppnå den typ av hastigheter som krävs.

För deras studies skull – som nyligen publicerades i tidskriften Fysiska granskningsbrev under rubriken "Virtuell observation av Unruh-effekten" – föreslog forskargruppen ett enkelt experiment för att testa för Unruh-effekten. Leds av Gabriel Cozzella från Institute of Theoretical Physics (IFT) vid Sao Paulo State University, de hävdar att detta experiment skulle lösa problemet genom att mäta ett redan förstått elektromagnetiskt fenomen.

Väsentligen, de hävdar att det skulle vara möjligt att upptäcka Unruh-effekten genom att mäta vad som kallas Larmor-strålning. Detta hänvisar till den elektromagnetiska energin som strålas bort från laddade partiklar (som elektroner, protoner eller joner) när de accelererar. Som de säger i sin studie:

"En mer lovande strategi består i att söka efter fingeravtryck av Unruh-effekten i den strålning som sänds ut av accelererade laddningar. Accelererade laddningar bör reagera tillbaka på grund av strålning, darrar därefter. En sådan darrande skulle naturligt tolkas av Rindler-observatörer som en konsekvens av laddningsinteraktionen med fotonerna i Unruhs termiska bad."

Som de beskriver i sin tidning, detta skulle bestå av att övervaka ljuset som emitteras av elektroner inom två separata referensramar. I den första, känd som "accelererande ram", elektroner avfyras i sidled över ett magnetfält, vilket skulle få elektronerna att röra sig i ett cirkulärt mönster. På sekunden, "laboratorieramen", ett vertikalt fält appliceras för att accelerera elektronerna uppåt, får dem att följa en korkskruvsliknande väg.

I den accelererande ramen, Cozzella och hans kollegor antar att elektronerna skulle möta "fotonernas dimma", där de både strålar ut och avger dem. I laboratorieramen, elektronerna skulle värmas upp när vertikal acceleration applicerades, får dem att visa ett överskott av långvågiga fotoner. Dock, detta skulle vara beroende av "dimman" som finns i den accelererade ramen till att börja med.

Kortfattat, detta experiment erbjuder ett enkelt test som kan avgöra om Unruh-effekten existerar eller inte, vilket är något som har varit omtvistat ända sedan det föreslogs. En av skönheterna med det föreslagna experimentet är att det skulle kunna genomföras med hjälp av partikelacceleratorer och elektromagneter som finns tillgängliga för närvarande.

På andra sidan av debatten finns de som hävdar att Unruh-effekten beror på ett matematiskt fel som Unruh och hans kollegor gjort. För dessa individer, detta experiment är användbart eftersom det effektivt skulle avfärda denna teori. Oavsett, Cozzella och hans team är övertygade om att deras föreslagna experiment kommer att ge positiva resultat.

"Vi har föreslagit ett enkelt experiment där närvaron av termalbadet Unruh kodifieras i Larmor-strålningen som sänds ut från en accelererad laddning, " säger de. "Då, vi utförde en okomplicerad klassisk elektrodynamisk beräkning (kontrollerad av en kvantfältteori) för att bekräfta det själva. Om man inte utmanar klassisk elektrodynamik, våra resultat måste nästan betraktas som en observation av Unruh-effekten."

Om experimenten skulle visa sig framgångsrika, och Unruh-effekten har bevisats existera, det skulle säkert få konsekvenser för alla framtida rymduppdrag som förlitar sig på avancerade framdrivningssystem. Mellan Project Starshot, och alla föreslagna uppdrag som skulle involvera att skicka en besättning till ett annat stjärnsystem, de extra effekterna av en "dimma av fotoner" och ett "termiskt bad" måste beaktas.