Идею, которая раньше была только гипотезой и частью научной фантастики, теперь можно подтвердить. «Хайтек» рассказывает, как физики адаптировали эксперимент по проверке эффекта Унру для лабораторий.
Основное препятствие для исследований в области фундаментальной физики — невозможность проверить передовые теории в лабораторных условиях. Однако идея эксперимента по проверке гипотезы 50-летней давности показала, что это лишь вопрос времени.
Что предсказывал Хокинг?
В 1974 году Стивен Хокинг удивил физиков во всем мире, заявив, что экстремальная гравитационная сила на горизонтах событий черных дыр будет создавать виртуальные частицы. Они будут испускать их, пока не исчерпают энергию и полностью испарятся.
До того, как Хокинг выдвинул свою революционную теорию, черные дыры считались идеальными черными объектами, из которых никакие частицы не смогут вырваться. Однако физик уверен, что у них есть свое излучение. По сути, это квантовый процесс теплового излучения, который спонтанно испускают черные дыры. Так масса черных дыр и их энергия вращения постепенно уменьшаются. В результате они могут полностью исчезнуть.
А что такое эффект Унру?
Эффект Фуллинга — Дэвиса — Унру впервые предложили в 1970-х годах. Это одно из многих предсказаний квантовой теории поля. Согласно ней, пустого вакуума не существует. На самом деле, любой «карман» пространства наполнен бесконечными вибрациями квантового масштаба. Если им придать достаточную энергию, они спонтанно «разразятся» парами частица-античастица, которые почти сразу же аннигилируют друг друга. Согласно теории, любая частица — будь то материя или свет — просто локализованное возбуждение этого квантового поля.
Что у них общего?
Эффект Унру приводит к тому, что пространство вокруг быстро ускоряющихся объектов кажется заполненным множеством виртуальных частиц, которые придают им сияние. Поскольку он тесно связан с излучением Хокинга, при котором частицы спонтанно появляются на краях черных дыр, ученые давно стремятся обнаружить одно из них как намек на существование другого. Но сделать это невозможно. Во всяком случае, так физики считали раньше.
Почему их сложно доказать?
Подобно тому, как для проверки излучения Хокинга нужна черная дыра, эффект Унру требует огромных ускорений, чтобы появилось свечение, которое можно заметить. Считалось, что он настолько слаб, что его невозможно измерить с помощью современных технологий.
Согласно квантовой теории, неподвижный атом может увеличить свою энергию только когда реальный фотон возбудит один из его электронов. Однако для ускоряющегося атома флуктуации квантового поля могут «выглядеть» как настоящие фотоны. С его «точки зрения», он будет двигаться сквозь скопление теплых световых частиц, которые нагревают атом. Это тепло может быть явным признаком эффекта Унру.
Проблема в том, что такое ускорение получить невозможно даже на Большом адронном коллайдере. Атом должен разогнаться до скорости света менее чем за миллионную долю секунды, испытывая при этом силу в квадриллион метров в секунду в квадрате, чтобы дать достаточное свечение, которое зафиксируют современные детекторы.
Простыми словами, чтобы увидеть этот эффект за короткий промежуток времени, нужно просто невероятное ускорение. Если использовать доступные человечеству скорости, то придется ждать больше времени, чем существует Вселенная.
Какой эксперимент придумали ученые?
Однако физики придумали, как экспериментировать с эффектом Унру с помощью высокоинтенсивных лазеров. Оказалось, что если воздействовать ими на ускоренную частицу, то эффект усилится настолько, что его получится замерить. Также ученые обнаружили, что можно сделать ускоренную материю прозрачной, если деликатно уравновесить ускорение и замедление частиц.
Как он будет работать?
Квантовые флуктуации становятся плотными благодаря фотонам. Значит, атом, вынужденный двигаться в вакууме под воздействием света высокоинтенсивного лазера, теоретически может вызвать эффект Унру даже при довольно малых ускорениях. Проблема том, что атом может заодно взаимодействовать с лазерным светом, поглощая его, повышая таким образом его уровень энергии. Выделяемое тепло в итоге заглушит эффект Унру.
Но физики придумали решение — сделать фотоны невидимыми. Если атому приходится «продираться» через поле фотонов, то пусть он «не увидит» фотоны определенной частоты, что сделает их практически невидимыми для атома. В итоге, последовательно объединяя все эти обходные пути, ученые смогут проверить эффект Унру на конкретной частоте света.
Что в итоге?
Воплотить эксперимент в жизнь будет непросто. Ученые построят лабораторный ускоритель частиц, который разгонит электрон до скорости света, облучая его микроволновым лучом. Если они обнаружат эффект, то проведут с ним эксперименты, которые найдут связь между теорией относительности Эйнштейна и квантовой механикой. Это одна из самых больших проблем физики. Кроме того, наблюдая эффект Унру, ученые подтвердят и правоту Хокинга о черных дырах.
Читать далее:
«Это научная фантастика»: ученые создают принципиально новый тип квантовых компьютеров
Создан сверхбыстрый квантовый компьютер, который выполняет операцию за 6,5 наносекунд
Что такое супергены и как они делают животных такими странными