Onderzoekers hebben een nieuwe theorie ontwikkeld voor het waarnemen van een kwantumvacuüm dat zou kunnen leiden tot nieuwe inzichten in het gedrag van zwarte gaten.

Het Unruh-effect combineert kwantumfysica en de relativiteitstheorie. Tot nu toe is het niet mogelijk geweest om het te meten of te observeren, maar nu heeft nieuw onderzoek van een team onder leiding van de Universiteit van Nottingham licht geworpen op hoe dit kan worden bereikt met behulp van geluidsdeeltjes. Het onderzoek van het team is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Het Unruh-effect suggereert dat als je met extreme versnelling door een kwantumvacuüm vliegt, het vacuüm ziet er niet langer uit als een vacuüm:eerder, het ziet eruit als een warm bad vol deeltjes. Dit fenomeen is nauw verwant aan de Hawking-straling van zwarte gaten.

Een onderzoeksteam van het Black Hole Laboratory van de Universiteit van Nottingham in samenwerking met de University of British Columbia en de Technische Universiteit van Wenen heeft aangetoond dat in plaats van de lege ruimte te bestuderen waarin deeltjes plotseling zichtbaar worden bij het versnellen, kun je een tweedimensionale wolk van ultrakoude atomen (Bose-Einstein-condensaat) creëren waarin geluidsdeeltjes, fononen, hoorbaar worden voor een versnelde waarnemer in het stille fonon-vacuüm. Het geluid wordt niet gecreëerd door de detector, het is eerder horen wat er is vanwege de versnelling (een niet-versnelde detector zou nog steeds niets horen).

Het vacuüm zit vol met deeltjes

Een van de basisideeën van de relativiteitstheorie van Albert Einstein is:Meetresultaten kunnen afhangen van de bewegingstoestand van de waarnemer. Hoe snel tikt een klok? Hoe lang is een voorwerp? Wat is de golflengte van een lichtstraal? Hier is geen universeel antwoord op, het resultaat is relatief - het hangt af van hoe snel de waarnemer beweegt. Maar hoe zit het met de vraag of een bepaald gebied leeg is of niet? Zouden twee waarnemers het daar niet op zijn minst over eens moeten zijn?

Nee, want wat voor de ene waarnemer een perfect vacuüm lijkt, kan voor de andere een turbulente zwerm deeltjes en straling zijn. Het Unruh-effect, ontdekt in 1976 door William Unruh, zegt dat voor een sterk versnelde waarnemer het vacuüm een ​​temperatuur heeft. Dit komt door zogenaamde virtuele deeltjes, die ook verantwoordelijk zijn voor andere belangrijke effecten, zoals Hawking-straling, waardoor zwarte gaten verdampen.

"Om het Unruh-effect direct te observeren, zoals William Unruh het beschreef, is voor ons vandaag de dag volkomen onmogelijk, " legt Dr. Sebastian Erne uit, die een paar maanden geleden van de Universiteit van Nottingham naar het Atomic Institute van de Technische Universiteit van Wenen kwam als ESQ Fellow. "Je hebt een meetapparaat nodig dat binnen een microseconde is versneld tot bijna de lichtsnelheid om zie zelfs een klein Unruh-effect - dat kunnen we niet doen." er is een andere manier om over dit vreemde effect te leren:met behulp van zogenaamde kwantumsimulators.

Kwantumsimulatoren

"Veel wetten van de kwantumfysica zijn universeel. Er kan worden aangetoond dat ze in heel verschillende systemen voorkomen. Je kunt dezelfde formules gebruiken om totaal verschillende kwantumsystemen te verklaren, ", zegt Jörg Schmiedmayer van de Technische Universiteit van Wenen. "Dit betekent dat je vaak iets belangrijks over een bepaald kwantumsysteem kunt leren door een ander kwantumsysteem te bestuderen."

"Het simuleren van het ene systeem met het andere is vooral nuttig geweest voor het begrijpen van zwarte gaten, aangezien echte zwarte gaten effectief ontoegankelijk zijn, Dr. Cisco Gooding van het Black Hole-laboratorium benadrukt. analoge zwarte gaten kunnen hier in het laboratorium gemakkelijk worden geproduceerd."

Dit geldt ook voor het Unruh-effect:als de originele versie om praktische redenen niet kan worden aangetoond, dan kan een ander kwantumsysteem worden gemaakt en onderzocht om het effect daar te zien.

Atoomwolken en laserstralen

Net zoals een deeltje een 'storing' is in de lege ruimte, er zijn storingen in het koude Bose-Einstein-condensaat - kleine onregelmatigheden (geluidsgolven) die zich in golven verspreiden. Zoals nu is gebleken, dergelijke onregelmatigheden moeten detecteerbaar zijn met speciale laserstralen. Met behulp van speciale trucs, het Bose-Einstein condensaat wordt minimaal verstoord door de meting, ondanks de interactie met het laserlicht.

Jörg Schmiedmayer legt uit:"Als je de laserstraal verplaatst, zodat het lichtpunt over het Bose-Einstein condensaat beweegt, die overeenkomt met de waarnemer die door de lege ruimte beweegt. Als je de laserstraal in versnelde beweging over de atoomwolk leidt, dan zou je in staat moeten zijn om verstoringen te detecteren die niet worden gezien in het stationaire geval - net zoals een versnelde waarnemer in een vacuüm een ​​warmtebad zou waarnemen dat er niet is voor de stationaire waarnemer."

"Tot nu, het Unruh-effect was een abstract idee, ", zegt professor Silke Weinfurtner, die het Black Hole-laboratorium aan de Universiteit van Nottingham leidt, "Velen hadden de hoop op experimentele verificatie opgegeven. De mogelijkheid om een ​​deeltjesdetector op te nemen in een kwantumsimulatie zal ons nieuwe inzichten geven in theoretische modellen die anders niet experimenteel toegankelijk zijn."?

Voorlopige planning is al aan de gang om een ​​versie van het experiment uit te voeren met behulp van supervloeibaar helium aan de Universiteit van Nottingham. "Het is mogelijk, maar erg tijdrovend en er zijn technische hindernissen die we moeten overwinnen, " legt Jörg Schmiedmayer uit. "Maar het zou een geweldige manier zijn om meer te weten te komen over een belangrijk effect waarvan eerder werd gedacht dat het praktisch niet waarneembaar was."