Ciepło z niczego. Na czym polega efekt Unruha?
W najprostszym ujęciu efekt Unruha głosi, że przyspieszający obserwator doświadcza pustej przestrzeni inaczej niż obserwator w spoczynku. Dla tego pierwszego próżnia promieniuje ciepłem, podczas gdy dla drugiego pozostaje absolutnie zimna. To nie artefakt pomiarowy, lecz fundamentalna własność rzeczywistości, wynikająca z kwantowej natury pól. Przez lata był to wyłącznie koncept teoretyczny. Aby uzyskać mierzalny przyrost temperatury, obiekt musiałby przyspieszać z siłą około 10^20 metrów na sekundę kwadratową. To wartość nieporównywalna z niczym, co możemy wytworzyć na Ziemi. Dlatego fizycy skazani byli na rozważania w kategoriach czystej matematyki.
Czytaj też: Francuski fizyk opracował uniwersalne prawo rozpadu obiektów. Działa dla szkła, cieczy i baniek
Kluczem do rozwiązania problemu ma być superpromienistość. W eksperymencie zaproponowanym przez naukowców atomy umieszczone między lustrami mają działać jak idealnie zsynchronizowana grupa. Gdy takie atomy emitują światło, robią to w zbiorowym, potężnym błysku, znacznie silniejszym niż pojedyncze emisje. Spryt polega na tym, że moment wystąpienia tego zbiorowego błysku jest niezwykle czuły na jakiekolwiek zakłócenia termiczne. Nawet niezwykle słabe ocieplenie związane z efektem Unruha miałoby powodować, że błysk następuje wcześniej. To przesunięcie w czasie miałoby być tym mierzalnym sygnałem. Lustra pełnią tu podwójną rolę: tłumią zwykły szum tła, a jednocześnie wzmacniają sam sygnał.
Znaleźliśmy sposób, aby zamienić szept efektu Unruha w krzyk. Używając starannie rozmieszczonych wysokiej jakości luster, wyciszamy zwykłe sygnały tła, podczas gdy wybuch wywołany przyspieszeniem pojawia się wcześnie i czysto – relacjonuje Akhil Deswal z IISER Mohali
Dlaczego synchronizacja atomów jest tak istotna?
Precyzyjny pomiar czasu staje się tutaj kluczowym narzędziem detekcyjnym. Kiedy atomy działają kolektywnie, ich wewnętrzne „zegary” muszą być idealnie zestrojone. Wszelkie zaburzenia, jak minimalny przyrost energii cieplnej, rozstrajają tę synchronizację, co skutkuje wcześniejszą emisją światła. Ta zmiana w czasie jest czymś, co współczesna aparatura pomiarowa może potencjalnie wychwycić.
Kluczem jest synchronizacja. Chór atomów jest nie tylko głośniejszy, ale także krzyczy wcześniej, jeśli odczuwa słabe ciepło pustej przestrzeni związane z efektem Unruha. Ten prosty znacznik zegarowy może ułatwić oddzielenie sygnału Unruha od codziennego szumu – dodaje Navdeep Arya z Uniwersytetu Sztokholmskiego
Proponowana konfiguracja laboratoryjna radykalnie obniża wymagane przyspieszenie, czyniąc pomiar teoretycznie wykonalnym. Szczegóły tej metody zostały opisane w artykule opublikowanym w Physical Review Letters.
Perspektywy i ograniczenia nowego odkrycia
Potwierdzenie efektu Unruha byłoby oczywiście spektakularnym sukcesem samej fizyki fundamentalnej. Metoda synchronizacji atomów może jednak otworzyć drzwi do badania innych subtelnych zjawisk kwantowo-grawitacyjnych, które dotąd wydawały się nieuchwytne. Istnieje głęboki związek między przyspieszeniem a grawitacją, co sprawia, że techniki tego typu mogą przybliżyć nas do zbadania na Ziemi zjawisk takich jak promieniowanie Hawkinga.
Czytaj też: Teleportacja kwantowa to już nie mrzonka. Fizycy przesłali informacje w zaskakujący sposób
Wdrożony pomysł jest genialny w swojej prostocie. Zamiast gonić za nierealnymi parametrami, naukowcy proponują obejście problemu przez wzmocnienie sygnału i precyzyjny pomiar czasu. To podejście, które już wcześniej sprawdzało się w innych dziedzinach fizyki. Jeśli eksperyment zakończy się powodzeniem, będzie to potężne potwierdzenie siły ludzkiej pomysłowości w testowaniu najbardziej abstrakcyjnych teorii. Udowodniłoby również, że nawet najbardziej „niemożliwe” do zaobserwowania zjawiska można badać, jeśli tylko znajdzie się odpowiedni, pośredni klucz.