Efectul Unruh

Efectul Unruh , sau radiația Unruh , este efectul observării radiației termice într-un cadru de referință accelerat în absența acestei radiații într-un cadru de referință inerțial , prezis de teoria câmpului cuantic . Cu alte cuvinte, un observator care accelerează va vedea fondul de radiații din jurul lui, chiar dacă un observator care nu accelerează nu vede nimic. Starea cuantică fundamentală ( vidul fizic ) într-un cadru inerțial pare a fi o stare cu o temperatură diferită de zero într-un cadru de referință accelerat.

Efectul a fost prezis teoretic în 1976 de William Unruh de la Universitatea din Columbia Britanică .

Unruh a arătat că conceptul de vid depinde de modul în care observatorul se mișcă în spațiu-timp. Dacă există doar vid în jurul unui observator staționar, atunci un observator care accelerează va vedea în jurul lui multe particule care se află în echilibru termodinamic , adică gaz cald. Efectul Unruh este contraintuitiv , necesită o schimbare în înțelegerea conceptului de vid, permițând să vorbim despre vid doar în relație cu un anumit obiect.

Confirmarea experimentală și însăși existența efectului Unruh este discutabilă: literatura științifică continuă să discute această problemă. Mulți cercetători cred că efectul Unruh nu a fost confirmat experimental, dar un astfel de experiment este probabil posibil [1] . Alții consideră că în formularea standard a problemei, efectul nu este în principiu observabil [2] , sau formularea problemei în sine conține presupuneri eronate [3] .

Explicație

Conform definițiilor moderne, conceptul de vid  nu este același cu spațiul gol , deoarece tot spațiul este umplut cu câmpuri cuantificate (uneori se vorbește despre particule virtuale ). Vidul este starea cea mai simplă, cu cea mai scăzută energie posibilă. Nivelurile de energie ale oricărui câmp cuantificat depind de Hamiltonian , care, la rândul său, depinde în general de coordonate, moment și timp . Prin urmare, Hamiltonianul și, prin urmare, conceptul de vid, depinde de cadrul de referință. În spațiul Minkowski, datorită simetriei sale mari, vidul este aceeași stare pentru toate cadrele de referință inerțiale . Dar acest lucru încetează să mai fie valabil pentru sistemele non-inerțiale din spațiul Minkowski și cu atât mai mult pentru spațiile curbe aproape arbitrar ale relativității generale.

După cum se știe, numărul de particule este o valoare proprie a unui operator care depinde de operatorii de creare și anihilare. Înainte de a defini operatorii de creare și anihilare, trebuie să descompunăm câmpul liber în componente de frecvență pozitive și negative. Și acest lucru se poate face doar în spații cu un vector Killing asemănător timpului (cel puțin asimptotic). Expansiunea va fi diferită în coordonatele Galileiane și Rindler , în ciuda faptului că operatorii de creare și anihilare din ele sunt legați de transformarea Bogolyubov . De aceea, numărul de particule depinde de cadrul de referință.

Efectul Unruh și relativitatea generală

Efectul Unruh face posibilă o explicație aproximativă a radiației Hawking , dar nu poate fi considerat analogul complet al acesteia [4] . Cu o mișcare uniform accelerată , un orizont de evenimente apare și în spatele unui corp care se accelerează , dar diferența dintre condițiile limită ale problemelor oferă soluții diferite pentru aceste efecte. În special, abordarea bazată pe calculul integralelor de drum limitat oferă următoarea imagine pentru efectul Unruh: „atmosfera termică” a unui observator accelerat constă din particule virtuale, dar dacă o astfel de particulă virtuală este absorbită de un observator accelerat, atunci antiparticula corespunzătoare devine reală și este disponibilă pentru detectarea de către observatorul inerțial [4] . În acest caz, observatorul accelerat își pierde o parte din energie. În cazul efectului Hawking pentru o gaură neagră formată ca urmare a colapsului gravitațional , imaginea este diferită: particulele „atmosferei termice” care apar ca urmare a efectului sunt reale. Aceste particule, mergând la infinit, pot fi observate și absorbite de un observator îndepărtat, cu toate acestea, indiferent de absorbția lor, aceste particule transportă masa (energia) găurii negre [4] .

Valoare numerică

Temperatura radiației Unruh observate este exprimată prin aceeași formulă ca și temperatura radiației Hawking , dar nu depinde de gravitația de suprafață, ci de accelerația cadrului de referință a .

Astfel, temperatura vidului în cadrul de referință al unei particule care se mișcă cu accelerația standard de cădere liberă terestră de 9,81 m/s² este egală cu 4 × 10 -20 K. Pentru verificarea experimentală a efectului Unruh, se plănuiește obținerea unei accelerații a particulelor de 1026 m/s² , care corespunde unor temperaturi de aproximativ 400.000 K. Există sugestii despre cum, folosind faza Berry, se poate testa experimental efectul la accelerații mult mai mici, până la 10 17 m/s² [5] .

Cu ajutorul acceleratorilor de electroni inel, se poate urmări experimental efectul accelerației electronilor asupra mișcării lor în direcția perpendiculară pe accelerație și, astfel, se poate detecta experimental efectul Unruh [6] [7] .

Efectul Unruh implică, de asemenea, o modificare a ratei de dezintegrare a particulelor accelerate în raport cu particulele care se mișcă prin inerție [6] [7] . Unele particule stabile (cum ar fi protonul ) dobândesc un timp de dezintegrare finit [8] . În special, un proton poate dezintegra de-a lungul canalului p → n + e + + ν e , ceea ce este interzis de legea conservării energiei pentru un proton în repaus sau în mișcare uniformă [9] [10] . La accelerațiile realizabile pe Pământ, acest efect este extrem de slab (pentru un proton din LHC cu o accelerație de 10 21 m/s 2 ani de viață [9] ), totuși, în anumite condiții astrofizice, acest timp poate fi redus semnificativ. De exemplu, accelerația unui proton cu o energie de 1,6×10 5 GeV care a căzut în câmpul magnetic al unui pulsar cu B  = 10 14 Gs este de 5×10 31 m/s 2 , iar durata de viață „de laborator” scade la ~0,1 secunde [9] .

În 2020, s-a format o propunere pentru a testa experimental efectul [11] într-un condensat Bose-Einstein .

Note

  1. ↑ Luís CB Crispino, Atsushi Higuchi și George EA Matsas. Efectul Unruh și aplicațiile sale // Rev. Mod. Fizic.. - 2008. - Vol. 80. - P. 787. - arXiv : 0710.5373 . - doi : 10.1103/RevModPhys.80.787 .
  2. ↑ Igor Peña, Daniel Sudarsky. Despre posibilitatea de a măsura efectul Unruh // Fundamentele fizicii. - 2014. - Vol. 44. - P. 689-708. - arXiv : 1306.6621 . - doi : 10.1007/s10701-014-9806-0 .
  3. ↑ V.A. Belinsky, B.M. Karnakov, V.D. Mur, N.B. Narojni. Există un efect Unruh? . Scrisori JETP, volumul 65, numărul 12, pp. 861-866 . ZhETF (25 iunie 1997).
  4. ↑ 1 2 3 M. B. Mensky. Măsurătorile cuantice relativiste, efectul Unruh și găurile negre  // Fizica teoretică și matematică . - 1998. - T. 115 , nr 2 . - S. 215-232 .
  5. ↑ Eduardo Martín-Martinez, Ivette Fuentes și Robert B. Mann. Utilizarea fazei lui Berry pentru a detecta efectul Unruh la accelerații inferioare   // Phys . Rev. Let.. - 2011. - Vol. 107.- Iss. 13 . — P. 131301 [5 pagini]. - doi : 10.1103/PhysRevLett.107.131301 . - arXiv : 1012.2208 . .
  6. ↑ 1 2 Ginzburg VL , Frolov VP Vacuum într-un câmp gravitațional uniform și excitație a unui detector uniform accelerat // Colecția Einstein 1986-1990. - M., Nauka, 1990. - Tiraj 2600 exemplare. — c. 190-278
  7. ↑ 1 2 Ginzburg V. L. , Frolov V. P. Vacuum in a uniform gravitation field and excitation of a uniformly accelerated detector // UFN , 1987, v. 153, p. 633-674
  8. ↑ R. Mueller. Dezintegrarea particulelor accelerate   // Fiz . Rev. D. - 1997. - Vol. 56. - P. 953-960. - doi : 10.1103/PhysRevD.56.953 . - arXiv : hep-th/9706016 . .
  9. ↑ 1 2 3 Vanzella DAT, Matsas GEA Dezintegrarea protonilor accelerați și existența efectului Fulling-Davies-Unruh   // Phys . Rev. Let.. - 2001. - Vol. 87. - P. 151301. - doi : 10.1103/PhysRevLett.87.151301 . - arXiv : gr-qc/0104030 .
  10. ↑ Suzuki H., Yamada K. Evaluarea analitică a ratei de dezintegrare a protonului accelerat   // Phys . Rev. D. - 2003. - Vol. 67. - P. 065002. - doi : 10.1103/PhysRevD.67.065002 . - arXiv : gr-qc/0211056 .
  11. ↑ Condensul Bose ar putea ajuta la testarea efectului Unruh . Nplus1.ru (30 noiembrie 2020). Data accesului: 30 noiembrie 2020.