Główną przeszkodą w badaniach w fizyce podstawowej jest brak możliwości testowania
Co przewidział Hawking?
W 1974 roku Stephen Hawking zaskoczył fizyków we wszystkimworld, stwierdzając, że ekstremalna siła grawitacji na horyzontach zdarzeń czarnych dziur stworzy wirtualne cząstki. Będą je emitować, dopóki nie zabraknie im energii i całkowicie nie wyparują.
Zanim Hawking wymyślił swojego rewolucjonistęteorii czarne dziury uznawano za idealne czarne obiekty, z których żadne cząstki nie mogły uciec. Fizyk jest jednak pewien, że mają one własne promieniowanie. Zasadniczo jest to proces kwantowy promieniowania cieplnego, które czarne dziury emitują spontanicznie. Zatem masa czarnych dziur i ich energia rotacyjna stopniowo maleją. W rezultacie mogą całkowicie zniknąć.
Czym jest efekt Unruha?
Pełniący efekt Davis Unruh po raz pierwszyzaproponowane w latach 70. Jest to jedno z wielu przewidywań kwantowej teorii pola. Według niej nie istnieje pusta próżnia. Tak naprawdę każda „kieszeń” przestrzeni wypełniona jest niekończącymi się wibracjami w skali kwantowej. Jeśli otrzymają wystarczającą ilość energii, spontanicznie „eksplodują” na pary cząstka-antycząstka, które niemal natychmiast unicestwiają się nawzajem. Zgodnie z tą teorią każda cząstka – czy to materia, czy światło – jest po prostu zlokalizowanym wzbudzeniem tego pola kwantowego.
Co oni mają ze sobą wspólnego?
Efekt Unruha powoduje przestrzeńwokół szybko przyspieszających obiektów wydaje się być wypełniony dziesiątkami wirtualnych cząstek, które nadają im blask. Ponieważ jest ono ściśle powiązane z promieniowaniem Hawkinga, w którym cząstki spontanicznie pojawiają się na krawędziach czarnych dziur, naukowcy od dawna starali się wykryć takie wskazówka na istnienie drugiego. Ale tego nie da się zrobić. W każdym razie tak myśleli wcześniej fizycy.
Dlaczego trudno je udowodnić?
Podobne do testowania promieniowania Hawkingawymaga czarnej dziury, efekt Unruha wymaga ogromnych przyspieszeń, aby wytworzyć widoczny blask. Uważano, że jest on tak słaby, że nie można go zmierzyć za pomocą nowoczesnej technologii.
Według teorii kwantowej nieruchomy atom możezwiększyć swoją energię tylko wtedy, gdy prawdziwy foton wzbudzi jeden ze swoich elektronów. Jednakże dla przyspieszającego atomu fluktuacje pola kwantowego mogą „wyglądać” jak prawdziwe fotony. Z jego „punktu widzenia” będzie przechodzić przez zbiór ciepłych cząstek światła, które podgrzewają atom. To ciepło może być charakterystyczną oznaką efektu Unruh.
Problem polega na tym, jakie przyspieszenie należy uzyskaćniemożliwe nawet w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Atom musi przyspieszyć do prędkości światła w czasie poniżej jednej milionowej sekundy, doświadczając jednocześnie siły rzędu biliardów metrów na sekundę do kwadratu, aby wyemitować wystarczającą ilość światła, którą wykryją współczesne detektory.
W prostych słowach, aby zobaczyć ten efekt zakrótki okres czasu, potrzebujesz po prostu niesamowitego przyspieszenia. Jeśli użyjemy prędkości dostępnych dla ludzkości, będziemy musieli poczekać dłużej niż istnieje Wszechświat.
Jaki eksperyment wymyślili naukowcy?
Jednak fizycy wymyślili, jak eksperymentować zEfekt Unruh przy użyciu laserów o dużej intensywności. Okazało się, że jeśli działają na przyspieszoną cząstkę, efekt wzrośnie na tyle, że będzie można go zmierzyć. Naukowcy odkryli również, że możliwe jest uczynienie przyspieszonej materii przezroczystą poprzez delikatne równoważenie przyspieszania i zwalniania cząstek.
Jak to będzie działać?
Fluktuacje kwantowe stają się gęstedzięki fotonom. Oznacza to, że atom zmuszony do poruszania się w próżni pod wpływem światła lasera o dużym natężeniu mógłby teoretycznie wywołać efekt Unruha już przy dość małych przyspieszeniach. Problem w tym, że atom może również oddziaływać ze światłem lasera, absorbując je zwiększając swój poziom energii. Wytworzone ciepło ostatecznie osłabi efekt Unruha.
Ale fizycy znaleźli rozwiązaniefotony są niewidoczne. Jeżeli atom będzie musiał „przebrnąć” przez pole fotonów, to może nie „zobaczyć” fotonów o określonej częstotliwości, co sprawi, że będą one dla atomu praktycznie niewidoczne. Ostatecznie, łącząc wszystkie te obejścia, naukowcy będą mogli przetestować efekt Unruha przy określonej częstotliwości światła.
Jaki jest wynik finansowy?
Wdrożenie eksperymentu nie będzie łatwe. Naukowcy zbudują laboratoryjny akcelerator cząstek, który będzie przyspieszał elektron do prędkości światła poprzez napromienianie go wiązką mikrofal. Jeśli odkryją efekt, przeprowadzą z nim eksperymenty, które znajdą powiązanie między teorią Einsteina teoria względności i mechanika kwantowa. Jest to jeden z największych problemów fizyki. Ponadto obserwując efekt Unruha naukowcy potwierdzą poprawność Hawkinga w sprawie czarnych dziur.
Czytaj więcej:
„To jest science fiction”: naukowcy tworzą całkowicie nowy typ komputerów kwantowych
Stworzono ultraszybki komputer kwantowy, który wykonuje operację w 6,5 nanosekundy
Czym są supergeny i jak sprawiają, że zwierzęta są takie dziwne