För "Star Wars"-fans är de streckande stjärnorna som ses från cockpiten på Millennium Falcon när den hoppar till hyperrymden en kanonisk bild. Men vad skulle egentligen en pilot se om hon kunde accelerera på ett ögonblick genom rymdens vakuum? Enligt en förutsägelse känd som Unruh-effekten skulle hon mer sannolikt se ett varmt sken.

Sedan 1970-talet när den först föreslogs har Unruh-effekten undgått upptäckt, främst för att sannolikheten att se effekten är oändligt liten, vilket kräver antingen enorma accelerationer eller stora mängder observationstid. Men forskare vid MIT och University of Waterloo tror att de har hittat ett sätt att avsevärt öka sannolikheten för att observera Unruh-effekten, vilket de beskriver i en studie som visas i Physical Review Letters .

Istället för att observera effekten spontant som andra har försökt tidigare, föreslår teamet att man stimulerar fenomenet, på ett mycket speciellt sätt som förstärker Unruh-effekten samtidigt som andra konkurrerande effekter undertrycks. Forskarna liknar sin idé vid att kasta en osynlighetsmantel över andra konventionella fenomen, vilket då borde avslöja den mycket mindre uppenbara Unruh-effekten.

Om det kan förverkligas i ett praktiskt experiment, skulle detta nya stimulerade tillvägagångssätt, med ett extra lager av osynlighet (eller "accelerationsinducerad transparens", som beskrivs i tidningen) avsevärt kunna öka sannolikheten för att observera Unruh-effekten. Istället för att vänta längre än universums ålder på att en accelererande partikel ska producera ett varmt sken som Unruh-effekten förutsäger, skulle teamets tillvägagångssätt raka ner väntetiden till några timmar.

"Nu vet vi åtminstone att det finns en chans i våra liv där vi faktiskt kan se denna effekt", säger studiens medförfattare Vivishek Sudhir, biträdande professor i maskinteknik vid MIT, som designar ett experiment för att fånga effekten baserat på gruppens teori. "Det är ett hårt experiment, och det finns ingen garanti för att vi skulle kunna göra det, men den här idén är vårt närmaste hopp."

Studiens medförfattare inkluderar även Barbara Šoda och Achim Kempf från University of Waterloo.

Stäng anslutningen

Unruh-effekten är också känd som Fulling-Davies-Unruh-effekten, efter de tre fysiker som ursprungligen föreslog den. Förutsägelsen säger att en kropp som accelererar genom ett vakuum faktiskt borde känna närvaron av varm strålning enbart som en effekt av kroppens acceleration. Denna effekt har att göra med kvantinteraktioner mellan accelererad materia och kvantfluktuationer inom det tomma utrymmets vakuum.

För att producera en glöd som är tillräckligt varm för detektorer att mäta, skulle en kropp som en atom behöva accelerera till ljusets hastighet på mindre än en miljondels sekund. En sådan acceleration skulle motsvara en g-kraft på en kvadriljon meter per sekund i kvadrat (en stridspilot upplever vanligtvis en g-kraft på 10 meter per sekund i kvadrat).

"För att se den här effekten på kort tid måste du ha en otrolig acceleration," säger Sudhir. "Om du istället hade en rimlig acceleration, skulle du behöva vänta enormt mycket tid - längre än universums ålder - för att se en mätbar effekt."

Vad skulle då vara poängen? För det första säger han att observation av Unruh-effekten skulle vara en validering av grundläggande kvantinteraktioner mellan materia och ljus. Och för en annan kan upptäckten representera en spegel av Hawking-effekten – ett förslag av fysikern Stephen Hawking som förutsäger en liknande termisk glöd, eller "Hawking-strålning", från ljus- och materiainteraktioner i ett extremt gravitationsfält, som runt en svart hål.

"Det finns ett nära samband mellan Hawking-effekten och Unruh-effekten - de är exakt den kompletterande effekten av varandra", säger Sudhir, som tillägger att om man skulle observera Unruh-effekten, "skulle man ha observerat en mekanism som är gemensamt för båda effekterna."

En genomskinlig bana

Unruh-effekten förutspås inträffa spontant i ett vakuum. Enligt kvantfältteorin är ett vakuum inte bara ett tomt utrymme, utan snarare ett fält av rastlösa kvantfluktuationer, där varje frekvensband mäter ungefär storleken på en halv foton. Unruh förutspådde att en kropp som accelererar genom ett vakuum skulle förstärka dessa fluktuationer, på ett sätt som producerar ett varmt, termiskt sken av partiklar.

I sin studie introducerade forskarna ett nytt tillvägagångssätt för att öka sannolikheten för Unruh-effekten genom att lägga till ljus till hela scenariot – ett tillvägagångssätt som kallas stimulering.

"När du lägger till fotoner i fältet, lägger du till 'n' gånger mer av dessa fluktuationer än denna halva foton som är i vakuumet," förklarar Sudhir. "Så, om du accelererar genom detta nya tillstånd på fältet, skulle du förvänta dig att se effekter som också skalas 'n' gånger vad du skulle se bara från vakuumet."

Men förutom kvant-Unruh-effekten skulle de ytterligare fotonerna också förstärka andra effekter i vakuumet - en stor nackdel som har hindrat andra jägare av Unruh-effekten från att ta stimuleringsmetoden.

Šoda, Sudhir och Kempf hittade dock en lösning genom "accelerationsinducerad transparens", ett koncept som de introducerar i tidningen. De visade teoretiskt att om en kropp som en atom kunde fås att accelerera med en mycket specifik bana genom ett fält av fotoner, skulle atomen interagera med fältet på ett sådant sätt att fotoner med en viss frekvens i huvudsak skulle verka osynliga för atom.

"När vi stimulerar Unruh-effekten stimulerar vi samtidigt också de konventionella eller resonanseffekterna, men vi visar att genom att konstruera partikelns bana kan vi i princip stänga av dessa effekter", säger Šoda.

Genom att göra alla andra effekter genomskinliga kunde forskarna då ha en bättre chans att mäta fotonerna, eller den termiska strålningen som enbart kommer från Unruh-effekten, som fysikerna förutspådde.

Forskarna har redan några idéer för hur man kan designa ett experiment utifrån sin hypotes. De planerar att bygga en partikelaccelerator i laboratoriestorlek som kan accelerera en elektron till nära ljusets hastighet, som de sedan skulle stimulera med hjälp av en laserstråle vid mikrovågsvåglängder. De letar efter sätt att konstruera elektronens väg för att undertrycka klassiska effekter, samtidigt som de förstärker den svårfångade Unruh-effekten.

"Nu har vi den här mekanismen som tycks statistiskt förstärka denna effekt via stimulering," säger Sudhir. "Med tanke på det här problemets 40-åriga historia har vi nu i teorin fixat den största flaskhalsen." + Utforska vidare

En nyckelbit för att förstå hur kvantgravitationen påverkar lågenergifysiken