С 1970-х годов, когда он был впервые предложен, эффект Унру ускользал от обнаружения, главным образом потому, что вероятность увидеть эффект бесконечно мала, требуя либо огромных ускорений, либо огромного количества времени наблюдения. Но исследователи из Массачусетского технологического института и Университета Ватерлоо считают, что они нашли способ значительно увеличить вероятность наблюдения эффекта Унру, который они подробно описывают в исследовании, опубликованном в Письма с физическим обзором.

Вместо того, чтобы наблюдать эффект спонтанно, как другие пытались в прошлом, команда предлагает стимулировать это явление очень специфическим способом, который усиливает эффект Унру, подавляя другие конкурирующие эффекты. Исследователи сравнивают свою идею с набрасыванием плаща-невидимки на другие обычные явления, которые затем должны выявить гораздо менее очевидный эффект Унру.

Если это может быть реализовано в практическом эксперименте, этот новый стимулированный подход с добавлением слоя невидимости (или "прозрачности, вызванной ускорением", как описано в статье) может значительно увеличить вероятность наблюдения эффекта Унру. Вместо того, чтобы ждать дольше, чем возраст Вселенной, пока ускоряющаяся частица произведет теплое свечение, как предсказывает эффект Унру, подход команды сократил бы это время ожидания до нескольких часов.

"Теперь, по крайней мере, мы знаем, что в нашей жизни есть шанс, когда мы действительно сможем увидеть этот эффект", - говорит соавтор исследования Вивишек Судхир, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института, который разрабатывает эксперимент, чтобы уловить эффект, основанный на теории группы. "Это сложный эксперимент, и нет никакой гарантии, что мы сможем это сделать, но эта идея - наша ближайшая надежда".

Соавторами исследования также являются Барбара Шода и Ахим Кемпф из Университета Ватерлоо.

Тесная связь

Эффект Унру также известен как эффект Фуллинга-Дэвиса-Унру, в честь трех физиков, которые первоначально предложили его. Предсказание гласит, что тело, которое ускоряется в вакууме, на самом деле должно ощущать присутствие теплого излучения исключительно как эффект ускорения тела. Этот эффект связан с квантовыми взаимодействиями между ускоренной материей и квантовыми флуктуациями в вакууме пустого пространства.

Чтобы создать свечение, достаточно теплое для измерения детекторами, такое тело, как атом, должно было бы разогнаться до скорости света менее чем за миллионную долю секунды. Такое ускорение было бы эквивалентно перегрузке в квадриллион метров в секунду в квадрате (пилот истребителя обычно испытывает перегрузку в 10 метров в секунду в квадрате).

"Чтобы увидеть этот эффект за короткий промежуток времени, вам нужно было бы иметь какое-то невероятное ускорение", - говорит Судхир. "Если бы вместо этого у вас было какое-то разумное ускорение, вам пришлось бы ждать огромное количество времени - дольше, чем возраст Вселенной, - чтобы увидеть измеримый эффект".

В чем же тогда был бы смысл? Во-первых, он говорит, что наблюдение эффекта Унру стало бы подтверждением фундаментальных квантовых взаимодействий между материей и светом. И, с другой стороны, обнаружение может представлять собой зеркало эффекта Хокинга - предложения физика Стивена Хокинга, которое предсказывает подобное тепловое свечение, или "излучение Хокинга", от взаимодействия света и материи в экстремальном гравитационном поле, например, вокруг черной дыры.

"Существует тесная связь между эффектом Хокинга и эффектом Унру - они в точности дополняют друг друга", - говорит Судхир, который добавляет, что если бы кто-то наблюдал эффект Унру, "можно было бы наблюдать механизм, который является общим для обоих эффектов".

Прозрачная траектория

Предсказано, что эффект Унру будет возникать самопроизвольно в вакууме. Согласно квантовой теории поля, вакуум - это не просто пустое пространство, а скорее поле беспокойных квантовых флуктуаций, каждая полоса частот которых имеет размер примерно половины фотона. Унру предсказал, что тело, ускоряющееся в вакууме, должно усиливать эти колебания таким образом, чтобы создавать теплое свечение частиц.

В своем исследовании исследователи представили новый подход к увеличению вероятности эффекта Унру, добавив свет ко всему сценарию - подход, известный как стимуляция.

"Когда вы добавляете фотоны в поле, вы добавляете в n раз больше этих флуктуаций, чем эта половина фотона, находящегося в вакууме", - объясняет Судхир. "Итак, если вы ускоритесь через это новое состояние поля, вы ожидаете увидеть эффекты, которые также масштабируются в n раз больше, чем вы бы увидели только в вакууме".

Однако, в дополнение к квантовому эффекту Унру, дополнительные фотоны также усилили бы другие эффекты в вакууме - основной недостаток, который удерживал других охотников за эффектом Унру от использования подхода стимуляции.

Шода, Судхир и Кемпф, однако, нашли обходной путь с помощью "прозрачности, вызванной ускорением", концепции, которую они вводят в статье. Они теоретически показали, что если бы такое тело, как атом, можно было заставить ускоряться по очень определенной траектории через поле фотонов, атом взаимодействовал бы с полем таким образом, что фотоны определенной частоты, по существу, казались бы невидимыми для атома.

"Когда мы стимулируем эффект Унру, в то же время мы также стимулируем обычные, или резонансные, эффекты, но мы показываем, что, проектируя траекторию частицы, мы можем существенно отключить эти эффекты", - говорит Шода.

Сделав все остальные эффекты прозрачными, исследователи могли бы тогда иметь больше шансов измерить фотоны или тепловое излучение, исходящее только от эффекта Унру, как и предсказывали физики.

У исследователей уже есть некоторые идеи о том, как разработать эксперимент, основанный на их гипотезе. Они планируют построить лабораторный ускоритель частиц, способный разгонять электрон до скорости, близкой к скорости света, который затем они будут стимулировать с помощью лазерного луча на микроволновых длинах волн. Они ищут способы спроектировать траекторию электрона, чтобы подавить классические эффекты, одновременно усиливая неуловимый эффект Унру.

"Теперь у нас есть этот механизм, который, по-видимому, статистически усиливает этот эффект с помощью стимуляции", - говорит Судхир. "Учитывая 40-летнюю историю этой проблемы, теперь мы теоретически устранили самое большое узкое место".

Это исследование было частично поддержано Национальным советом по научным и инженерным исследованиям Канады, Австралийским исследовательским советом и премией Google Faculty Research Award.