Forskare har utvecklat en ny teori för att observera ett kvantvakuum som kan leda till nya insikter om beteendet hos svarta hål.

Unruh-effekten kombinerar kvantfysik och relativitetsteorin. Hittills har det inte varit möjligt att mäta eller observera det, men nu har ny forskning från ett team ledd av University of Nottingham belyst hur detta skulle kunna uppnås med hjälp av ljudpartiklar. Teamets forskning har publicerats i dag i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Unruh-effekten tyder på att om du flyger genom ett kvantvakuum med extrem acceleration, vakuumet ser inte längre ut som ett vakuum:snarare, det ser ut som ett varmt bad fullt av partiklar. Detta fenomen är nära relaterat till Hawking-strålningen från svarta hål.

En forskargrupp från University of Nottinghams Black Hole Laboratory i samarbete med University of British Columbia och Vienna University of Technology har visat att istället för att studera det tomma utrymme där partiklar plötsligt blir synliga när de accelererar, du kan skapa ett tvådimensionellt moln av ultrakalla atomer (Bose-Einstein-kondensat) i vilka ljudpartiklar, fononer, bli hörbar för en accelererad observatör i det tysta fononvakuumet. Ljudet skapas inte av detektorn, snarare är det att höra vad som finns där bara på grund av accelerationen (en icke-accelererad detektor skulle fortfarande höra ingenting).

Vakuumet är fullt av partiklar

En av grundidéerna i Albert Einsteins relativitetsteori är:Mätresultat kan bero på observatörens rörelsetillstånd. Hur snabbt tickar en klocka? Hur långt är ett föremål? Vad är våglängden på en ljusstråle? Det finns inget universellt svar på detta, resultatet är relativt – det beror på hur snabbt observatören rör sig. Men hur är det med frågan om ett visst utrymme är tomt eller inte? Borde inte två observatörer åtminstone vara överens om det?

Nej, för det som ser ut som ett perfekt vakuum för en observatör kan vara en turbulent svärm av partiklar och strålning för den andra. Unruh-effekten, upptäcktes 1976 av William Unruh, säger att för en starkt accelererad observatör har vakuumet en temperatur. Detta beror på så kallade virtuella partiklar, som också är ansvariga för andra viktiga effekter, som Hawking-strålning, vilket gör att svarta hål avdunstar.

"För att observera Unruh-effekten direkt, som William Unruh beskrev det, är helt omöjligt för oss idag, " förklarar Dr. Sebastian Erne som kom från University of Nottingham till Atomic Institute of the Wiener University of Technology som ESQ Fellow för några månader sedan. "Du skulle behöva en mätanordning accelererad till nästan ljusets hastighet inom en mikrosekund för att se till och med en liten Unruh-effekt - det kan vi inte göra." det finns ett annat sätt att lära sig om denna märkliga effekt:att använda så kallade kvantsimulatorer.

Kvantsimulatorer

"Många kvantfysiklagar är universella. De kan visas förekomma i väldigt olika system. Man kan använda samma formler för att förklara helt olika kvantsystem, " säger Jörg Schmiedmayer från Wiens tekniska universitet. "Detta innebär att man ofta kan lära sig något viktigt om ett visst kvantsystem genom att studera ett annat kvantsystem."

"Att simulera ett system med ett annat har varit särskilt användbart för att förstå svarta hål, eftersom riktiga svarta hål faktiskt är otillgängliga, Dr. Cisco Gooding från Black Hole-laboratoriet betonar. analoga svarta hål kan lätt produceras här i labbet."

Detta gäller även för Unruh-effekten:Om originalversionen inte kan demonstreras av praktiska skäl, sedan kan ett annat kvantsystem skapas och undersökas för att se effekten där.

Atommoln och laserstrålar

Precis som en partikel är en "störning" i det tomma utrymmet, det finns störningar i det kalla Bose-Einstein-kondensatet – små oregelbundenheter (ljudvågor) som breder ut sig i vågor. Som nu har visats, sådana oregelbundenheter bör kunna detekteras med speciella laserstrålar. Med hjälp av speciella knep, Bose-Einstein-kondensatet störs minimalt av mätningen, trots interaktionen med laserljuset.

Jörg Schmiedmayer förklarar:"Om du flyttar laserstrålen, så att belysningspunkten rör sig över Bose-Einstein-kondensatet, som motsvarar att betraktaren rör sig genom det tomma utrymmet. Om du styr laserstrålen i accelererad rörelse över atommolnet, då borde du kunna upptäcka störningar som inte syns i det stationära fallet - precis som en accelererad observatör i vakuum skulle uppfatta ett värmebad som inte finns där för den stationära observatören."

"Tills nu, Unruh-effekten var en abstrakt idé, säger professor Silke Weinfurtner som leder Black Hole-laboratoriet vid University of Nottingham, "Många hade gett upp hoppet om experimentell verifiering. Möjligheten att inkludera en partikeldetektor i en kvantsimulering kommer att ge oss nya insikter i teoretiska modeller som annars inte är experimentellt tillgängliga. "?

Preliminär planering pågår redan för att genomföra en version av experimentet med superfluid helium vid University of Nottingham. "Det är möjligt, men mycket tidskrävande och det finns tekniska hinder för oss att övervinna, " förklarar Jörg Schmiedmayer. "Men det skulle vara ett underbart sätt att lära sig om en viktig effekt som tidigare ansågs vara praktiskt taget omöjlig att observera."