Voor fans van "Star Wars" zijn de strepende sterren, gezien vanuit de cockpit van de Millennium Falcon terwijl deze naar hyperspace springt, een canoniek beeld. Maar wat zou een piloot eigenlijk zien als ze in een oogwenk door het vacuüm van de ruimte zou kunnen versnellen? Volgens een voorspelling die bekend staat als het Unruh-effect, zou ze eerder een warme gloed zien.

Sinds de jaren zeventig, toen het voor het eerst werd voorgesteld, is het Unruh-effect aan detectie ontsnapt, voornamelijk omdat de kans om het effect te zien oneindig klein is, waardoor enorme versnellingen of enorme hoeveelheden observatietijd nodig zijn. Maar onderzoekers van het MIT en de Universiteit van Waterloo geloven dat ze een manier hebben gevonden om de kans op het waarnemen van het Unruh-effect aanzienlijk te vergroten, wat ze beschrijven in een onderzoek dat verschijnt in Physical Review Letters .

In plaats van het effect spontaan te observeren, zoals anderen in het verleden hebben geprobeerd, stelt het team voor om het fenomeen te stimuleren, op een zeer specifieke manier die het Unruh-effect versterkt en andere concurrerende effecten onderdrukt. De onderzoekers vergelijken hun idee met het werpen van een onzichtbaarheidsmantel over andere conventionele fenomenen, die dan het veel minder voor de hand liggende Unruh-effect zouden moeten onthullen.

Als het in een praktisch experiment kan worden gerealiseerd, zou deze nieuwe gestimuleerde benadering, met een toegevoegde laag van onzichtbaarheid (of 'door versnelling veroorzaakte transparantie', zoals beschreven in het artikel) de kans op het waarnemen van het Unruh-effect enorm vergroten. In plaats van langer dan de leeftijd van het universum te wachten op een versnellend deeltje om een ​​warme gloed te produceren, zoals het Unruh-effect voorspelt, zou de aanpak van het team die wachttijd terugbrengen tot een paar uur.

"Nu weten we tenminste dat er een kans is in ons leven waar we dit effect daadwerkelijk kunnen zien", zegt co-auteur Vivishek Sudhir, assistent-professor werktuigbouwkunde aan het MIT, die een experiment ontwerpt om het effect te vangen op basis van de theorie van de groep. "Het is een moeilijk experiment en er is geen garantie dat we het zouden kunnen doen, maar dit idee is onze grootste hoop."

De co-auteurs van de studie zijn ook Barbara Šoda en Achim Kempf van de Universiteit van Waterloo.

Verbinding sluiten

Het Unruh-effect staat ook bekend als het Fulling-Davies-Unruh-effect, naar de drie natuurkundigen die het aanvankelijk voorstelden. De voorspelling stelt dat een lichaam dat versnelt door een vacuüm, de aanwezigheid van warme straling in feite zou moeten voelen puur als een effect van de versnelling van het lichaam. Dit effect heeft te maken met kwantuminteracties tussen versnelde materie en kwantumfluctuaties binnen het vacuüm van de lege ruimte.

Om een ​​gloed te produceren die warm genoeg is voor detectoren om te meten, zou een lichaam zoals een atoom in minder dan een miljoenste van een seconde moeten versnellen tot de lichtsnelheid. Zo'n versnelling zou gelijk zijn aan een g-kracht van een biljard meter per seconde kwadraat (een gevechtspiloot ervaart typisch een g-kracht van 10 meter per seconde kwadraat).

"Om dit effect in korte tijd te zien, moet je een ongelooflijke versnelling hebben", zegt Sudhir. "Als je in plaats daarvan een redelijke versnelling had, zou je een gigantische hoeveelheid tijd moeten wachten - langer dan de leeftijd van het universum - om een ​​meetbaar effect te zien."

Wat zou dan het punt zijn? Ten eerste zegt hij dat het observeren van het Unruh-effect een validatie zou zijn van fundamentele kwantuminteracties tussen materie en licht. En voor een ander zou de detectie een spiegel kunnen zijn van het Hawking-effect - een voorstel van de natuurkundige Stephen Hawking dat een vergelijkbare thermische gloed of "Hawking-straling" voorspelt van licht en materie-interacties in een extreem zwaartekrachtveld, zoals rond een zwart gat.

"Er is een nauw verband tussen het Hawking-effect en het Unruh-effect - ze zijn precies het complementaire effect van elkaar", zegt Sudhir, die eraan toevoegt dat als je het Unruh-effect zou observeren, "je een mechanisme zou hebben waargenomen dat gemeenschappelijk voor beide effecten."

Een transparant traject

Er wordt voorspeld dat het Unruh-effect spontaan optreedt in een vacuüm. Volgens de kwantumveldentheorie is een vacuüm niet alleen lege ruimte, maar eerder een veld van rusteloze kwantumfluctuaties, waarbij elke frequentieband ongeveer de grootte van een half foton meet. Unruh voorspelde dat een lichaam dat door een vacuüm versnelt deze fluctuaties zou versterken, op een manier die een warme, thermische gloed van deeltjes produceert.

In hun onderzoek introduceerden de onderzoekers een nieuwe benadering om de kans op het Unruh-effect te vergroten, door licht toe te voegen aan het hele scenario - een benadering die bekend staat als stimulatie.

"Als je fotonen aan het veld toevoegt, voeg je 'n' keer meer van die fluctuaties toe dan dit halve foton dat zich in het vacuüm bevindt", legt Sudhir uit. "Dus als je door deze nieuwe staat van het veld accelereert, zou je effecten verwachten die ook 'n' maal groter zijn dan wat je zou zien vanuit alleen het vacuüm alleen."

Naast het kwantum Unruh-effect zouden de extra fotonen echter ook andere effecten in het vacuüm versterken - een groot nadeel dat andere jagers van het Unruh-effect ervan heeft weerhouden om de stimulatiebenadering te volgen.

Šoda, Sudhir en Kempf hebben echter een oplossing gevonden door middel van 'door versnelling veroorzaakte transparantie', een concept dat ze in de krant introduceren. Ze toonden theoretisch aan dat als een lichaam zoals een atoom zou kunnen worden versneld met een heel specifiek traject door een veld van fotonen, het atoom op zo'n manier met het veld zou interageren dat fotonen met een bepaalde frequentie in wezen onzichtbaar zouden lijken voor de atoom.

"Als we het Unruh-effect stimuleren, stimuleren we tegelijkertijd ook de conventionele of resonerende effecten, maar we laten zien dat we die effecten in wezen kunnen uitschakelen door de baan van het deeltje te ontwerpen", zegt Šoda.

Door alle andere effecten transparant te maken, zouden de onderzoekers dan een betere kans hebben om de fotonen te meten, of de warmtestraling afkomstig van alleen het Unruh-effect, zoals de natuurkundigen voorspelden.

De onderzoekers hebben al enkele ideeën voor het ontwerpen van een experiment op basis van hun hypothese. Ze zijn van plan een deeltjesversneller op laboratoriumformaat te bouwen die een elektron kan versnellen tot bijna de lichtsnelheid, die ze vervolgens zouden stimuleren met behulp van een laserstraal op microgolfgolflengten. Ze zijn op zoek naar manieren om het pad van het elektron te manipuleren om klassieke effecten te onderdrukken, terwijl het ongrijpbare Unruh-effect wordt versterkt.

"Nu hebben we dit mechanisme dat dit effect statistisch lijkt te versterken via stimulatie", zegt Sudhir. "Gezien de 40-jarige geschiedenis van dit probleem, hebben we nu in theorie het grootste knelpunt opgelost." + Verder verkennen

Een belangrijk onderdeel om te begrijpen hoe kwantumzwaartekracht de lage-energiefysica beïnvloedt