Hlavní překážkou výzkumu v základní fyzice je neschopnost testovat
Co předpověděl Hawking?
V roce 1974 Stephen Hawking překvapil fyziky ve všemsvěta s tím, že extrémní gravitační síla na horizontech událostí černých děr vytvoří virtuální částice. Budou je emitovat, dokud jim nedojde energie a úplně se vypaří.
Než Hawking přišel se svým revolucionářemteorie byly černé díry považovány za ideální černé objekty, ze kterých nemohly uniknout žádné částice. Fyzik si je však jistý, že mají své vlastní záření. V podstatě se jedná o kvantový proces tepelného záření, které černé díry spontánně vyzařují. Takže hmotnost černých děr a jejich rotační energie postupně klesají. V důsledku toho mohou zcela zmizet.
Co je Unruhův efekt?
Fulling efekt Davis Unruh poprvénavržený v 70. letech 20. století. Toto je jedna z mnoha předpovědí kvantové teorie pole. Prázdné vakuum podle ní neexistuje. Ve skutečnosti je každá „kapsa“ prostoru naplněna nekonečnými vibracemi v kvantovém měřítku. Pokud dostanou dostatek energie, spontánně „explodují“ do párů částice-antičástice, které se téměř okamžitě navzájem anihilují. Podle teorie je jakákoli částice – ať už je to hmota nebo světlo – jednoduše lokalizovanou excitací tohoto kvantového pole.
Co mají společného?
Unruh efekt způsobuje prostorZdá se, že kolem rychle se zrychlujících objektů je zaplněno množstvím virtuálních částic, které jim dodávají jejich záři. Vzhledem k tomu, že úzce souvisí s Hawkingovým zářením, ve kterém se částice spontánně objevují na okrajích černých děr, vědci se již dlouho snažili nějakou takovou detekovat jako náznak existence toho druhého. Ale to není možné. V každém případě si to fyzici mysleli dříve.
Proč je těžké je dokázat?
Podobně jako při testování Hawkingova zářenívyžaduje černou díru, Unruhův efekt vyžaduje enormní zrychlení, aby vytvořil záři, kterou lze vidět. Předpokládalo se, že je tak slabá, že ji nelze změřit pomocí moderní technologie.
Podle kvantové teorie může stacionární atomzvýšit svou energii pouze tehdy, když skutečný foton excituje jeden z jeho elektronů. U zrychlujícího se atomu však mohou fluktuace kvantového pole „vypadat“ jako skutečné fotony. Z jeho „pohledu“ se bude pohybovat sbírkou teplých světelných částic, které zahřívají atom. Toto teplo může být výmluvným znakem Unruhova efektu.
Problém je, jaké je zrychlení získatnemožné ani na Velkém hadronovém urychlovači. Atom se musí zrychlit na rychlost světla za méně než miliontinu sekundy a přitom zažít sílu kvadrilionu metrů za sekundu na druhou, aby vydal dostatek světla, které moderní detektory zaznamenají.
Jednoduše řečeno, vidět tento efekt za seboukrátká doba, potřebujete jen neuvěřitelné zrychlení. Pokud použijeme rychlosti dostupné lidstvu, budeme muset čekat déle, než vesmír existuje.
S jakým experimentem vědci přišli?
Fyzici však přišli na to, jak experimentovatUnruh efekt pomocí vysoce intenzivních laserů. Ukázalo se, že pokud působí na urychlenou částici, účinek se zvýší natolik, že jej lze změřit. Vědci také zjistili, že je možné zprůhlednit urychlenou hmotu jemným vyvážením zrychlení a zpomalení částic.
jak to bude fungovat?
Kvantové fluktuace se stávají hustýmidíky fotonům. To znamená, že atom nucený pohybovat se ve vakuu pod vlivem laserového světla o vysoké intenzitě by teoreticky mohl způsobit Unruhův jev i při docela malých zrychleních. Problém je v tom, že atom může také interagovat s laserovým světlem a absorbovat ho, tedy zvýšení jeho energetické hladiny. Vzniklé teplo nakonec Unruhův efekt utlumí.
Ale fyzici přišli s řešením, jak to udělatfotony jsou neviditelné. Pokud se atom musí „brodit“ polem fotonů, pak nemusí „vidět“ fotony určité frekvence, díky čemuž jsou pro atom prakticky neviditelné. Postupným kombinováním všech těchto řešení budou vědci nakonec schopni otestovat Unruhův efekt při specifické frekvenci světla.
Jaký je konečný výsledek?
Uvedení experimentu do života nebude snadné. Vědci sestrojí laboratorní urychlovač částic, který ozářením mikrovlnným paprskem urychlí elektron na rychlost světla. Pokud tento efekt objeví, provedou s ním experimenty, které najdou souvislost mezi Einsteinovou teorií o teorie relativity a kvantové mechaniky. To je jeden z největších problémů fyziky. Navíc pozorováním Unruhova efektu vědci potvrdí Hawkingovu správnost ohledně černých děr.
Přečtěte si více:
„Toto je sci-fi“: vědci vytvářejí zásadně nový typ kvantových počítačů
Byl vytvořen ultrarychlý kvantový počítač, který provede operaci za 6,5 nanosekundy
Co jsou supergeny a jak dělají zvířata tak divná