Θερμαίνεται ο χώρος όταν επιταχύνετε; Οι φυσικοί προτείνουν δοκιμή αμφιλεγόμενης ιδέας
Θερμαίνεται ο χώρος όταν επιταχύνετε; Οι φυσικοί προτείνουν δοκιμή αμφιλεγόμενης ιδέας
Του Adrian Cho
Πριν από περισσότερα από 40 χρόνια, ένας κορυφαίος θεωρητικός της σχετικότητας έκανε μια εκπληκτική πρόβλεψη. Ενώ ο κενός χώρος θα πρέπει να αισθάνεται απίστευτα κρύος σε κάθε παρατηρητή που γλιστράει με σταθερή ταχύτητα, κάποιος που επιταχύνει, ας πούμε επειδή οδηγεί έναν πύραυλο, θα έβρισκε τον κενό χώρο ζεστό. Αυτό το αποκαλούμενο φαινόμενο Unruh φαινόταν πρακτικά αδύνατο να μετρηθεί, αλλά τώρα τέσσερις θεωρητικοί ισχυρίζονται ότι έχουν επινοήσει ένα εφικτό πείραμα που θα μπορούσε να επιβεβαιώσει την υποκείμενη φυσική. Οι σκεπτικιστές λένε ότι δεν θα κάνει κάτι τέτοιο—αλλά για αντιφατικούς λόγους.
«Η ελπίδα είναι ότι αυτό θα πείσει τους σκεπτικιστές ότι το όλο θέμα είναι συνεκτικό», λέει ο Stephen Fulling, θεωρητικός φυσικός και μαθηματικός στο Texas A&M University στο College Station που δεν συμμετείχε στην εργασία. Αλλά ο Βλαντιμίρ Μπελίνσκι, θεωρητικός στο Διεθνές Δίκτυο Κέντρων Σχετικιστικής Αστροφυσικής στην Πεσκάρα της Ιταλίας, λέει, "Το φαινόμενο Unruh είναι ανοησία, βασίζεται σε ένα μαθηματικό λάθος."
Σύμφωνα με τις θεωρίες της ειδικής και γενικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, τα πράγματα μπορεί να φαίνονται παράξενα διαφορετικά στους παρατηρητές σε κίνηση το ένα σε σχέση με το άλλο. Ας υποθέσουμε ότι στέκεστε δίπλα σε ένα ραβδί με ένα ρολόι στον καρπό σας. Εάν η φίλη σας περάσει με φερμουάρ με ταχύτητα σχεδόν του φωτός, θα δει ότι το ραβδί είναι μικρότερο από ένα μέτρο και ότι το ρολόι σας χτυπάει ασυνήθιστα αργά. Αντίθετα, αν κουβαλάει ένα ραβδί μετρητή, θα το δείτε να συστέλλεται και, για εσάς, αυτήν Το ρολόι θα χτυπά αργά.
Τα πράγματα γίνονται ακόμα πιο περίεργα αν ένας παρατηρητής επιταχύνει. Κάθε παρατηρητής που ταξιδεύει με σταθερή ταχύτητα θα μετρήσει τη θερμοκρασία του κενού χώρου ως απόλυτο μηδέν. Αλλά ένας επιταχυνόμενος παρατηρητής θα βρει το κενό πιο ζεστό. Τουλάχιστον αυτό υποστήριξε ο William Unruh, ένας θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο British Columbia στο Βανκούβερ του Καναδά, το 1976. Για έναν μη επιταχυνόμενο παρατηρητή, το κενό στερείται σωματιδίων—έτσι ώστε αν κρατήσει έναν ανιχνευτή σωματιδίων δεν θα καταγράψει κανένα κλικ. Αντίθετα, υποστήριξε ο Unruh, ένας επιταχυνόμενος παρατηρητής θα ανιχνεύσει μια ομίχλη φωτονίων και άλλων σωματιδίων, καθώς ο αριθμός των κβαντικών σωματιδίων που περιστρέφονται εξαρτάται από την κίνηση ενός παρατηρητή. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιτάχυνση, τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία αυτής της ομίχλης ή του "λουτρού".
Το αποτέλεσμα είναι πολύ αδύναμο για να μετρηθεί άμεσα. Για να δει τη θερμότητα του κενού στο 1 Κ, ένας παρατηρητής θα έπρεπε να επιταχύνει 100 τετράδισεκα φορές πιο γρήγορα από ό,τι μπορεί ο καλύτερος πύραυλος. Αλλά ο Daniel Vanzella, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Σάο Πάολο στο Σάο Κάρλος, στη Βραζιλία, και οι συνεργάτες του υποστηρίζουν ότι θα πρέπει να είναι δυνατό να ανιχνευθεί το βασικό πράγμα - η ομίχλη των φωτονίων που βλέπει ο επιταχυνόμενος παρατηρητής - μελετώντας το φως που ακτινοβολείται από ηλεκτρόνια. /P>
Δείτε πώς θα λειτουργούσε αυτό:Ας υποθέσουμε ότι εκτοξεύετε μια δέσμη ηλεκτρονίων πλευρικά σε ένα μαγνητικό πεδίο. Η βασική φυσική υπαγορεύει ότι τα ηλεκτρόνια θα κάνουν κύκλους στο πεδίο. Τώρα, εφαρμόστε ένα κατακόρυφο ηλεκτρικό πεδίο για να δώσετε στα ηλεκτρόνια μια ώθηση προς τα πάνω. Εκτός από την κυκλοφορία, το μάτσο θα επιταχύνει και προς τα πάνω. Έτσι, η ρύθμιση ορίζει δύο πλαίσια αναφοράς. Στο πλαίσιο που επιταχύνεται προς τα πάνω με τη δέσμη, τα ηλεκτρόνια κάνουν κύκλους (βλ. σχήμα). Στο μη επιταχυνόμενο "πλαίσιο εργαστηρίου" η δέσμη διαγράφει μια τεντωμένη τροχιά τιρμπουσόν.
Δοκιμή του εφέ Unruh
Ο Vanzella και οι συνεργάτες του ξεκινούν την ανάλυσή τους στο επιταχυνόμενο πλαίσιο, όπου υποθέτουν ότι τα ηλεκτρόνια που κυκλοφορούν συναντούν αυτή την ομίχλη φωτονίων. Τα ηλεκτρόνια απορροφούν φωτόνια από και ακτινοβολούν φωτόνια στην ομίχλη. Παραδόξως, κάθε γεγονός στο επιταχυνόμενο πλαίσιο στο οποίο τα ηλεκτρόνια απορροφούν ή εκπέμπουν ένα φωτόνιο αντιστοιχεί σε ένα συμβάν στο εργαστηριακό πλαίσιο στο οποίο τα ηλεκτρόνια εκπέμπουν ένα φωτόνιο. Οι θεωρητικοί χρησιμοποιούν τη θεωρία της σχετικότητας για να προβλέψουν το φάσμα των εκπεμπόμενων φωτονίων στο εργαστηριακό πλαίσιο, όπως αναφέρουν σε μια δημοσίευση υπό έκδοση στο Physical Review Letters .
Στο εργαστηριακό πλαίσιο, υπολογίζουν, το φάσμα των εκπεμπόμενων φωτονίων θα πρέπει να έχει μια ενδεικτική περίσσεια σε μεγάλα μήκη κύματος - αλλά μόνο εάν υπήρχε μια ομίχλη φωτονίων στο επιταχυνόμενο πλαίσιο αρχικά, λέει ο Vanzella. Σε γενικές γραμμές, η ομίχλη των φωτονίων στο επιταχυνόμενο πλαίσιο θερμαίνει τα ηλεκτρόνια και τα κάνει να ακτινοβολούν λίγο περισσότερο στο πλαίσιο του εργαστηρίου. Έτσι, το πείραμα θα παρείχε έναν τρόπο για να ελέγξετε εάν υπάρχει το φαινόμενο Unruh:Παρατηρήστε την περίσσεια φωτονίων μεγάλου μήκους κύματος στο πλαίσιο του εργαστηρίου και θα ξέρετε ότι ο χώρος του επιταχυνόμενου πλαισίου είναι γεμάτος φωτόνια.
Οι σκεπτικιστές λένε ότι το πείραμα δεν θα λειτουργήσει, αλλά διαφωνούν στο γιατί. Εάν η κατάσταση αναλυθεί σωστά, δεν υπάρχει ομίχλη φωτονίων στο επιταχυνόμενο πλαίσιο, λέει ο Detlev Buchholz, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν στη Γερμανία. "Το αέριο Unruh δεν υπάρχει!" αυτος λεει. Παρόλα αυτά, λέει ο Buchholz, το κενό θα φαίνεται ζεστό σε έναν επιταχυνόμενο παρατηρητή, αλλά λόγω ενός είδους τριβής που προκύπτει από την αλληλεπίδραση της κβαντικής αβεβαιότητας και της επιτάχυνσης. Έτσι, το πείραμα μπορεί να δείξει το επιθυμητό αποτέλεσμα, αλλά αυτό δεν θα αποκάλυπτε την υποτιθέμενη ομίχλη των φωτονίων στο πλαίσιο επιτάχυνσης.
Αντίθετα, ο Robert O'Connell, θεωρητικός στο State University της Λουιζιάνα στο Baton Rouge, επιμένει ότι στο επιταχυνόμενο πλαίσιο υπάρχει μια ομίχλη φωτονίων. Ωστόσο, υποστηρίζει, δεν είναι δυνατό να αντληθεί ενέργεια από αυτή την ομίχλη για να παραχθεί επιπλέον ακτινοβολία στο πλαίσιο του εργαστηρίου. Ο O'Connell αναφέρει ένα βασικό κομμάτι της φυσικής που ονομάζεται θεώρημα διακύμανσης-διασποράς, το οποίο δηλώνει ότι ένα σωματίδιο που αλληλεπιδρά με ένα θερμικό λουτρό θα αντλεί τόση ενέργεια στο λουτρό όση τραβάει προς τα έξω. Έτσι, υποστηρίζει, η ομίχλη φωτονίων του Unruh υπάρχει, αλλά το πείραμα δεν πρέπει να παράγει το υποτιθέμενο σήμα ούτως ή άλλως.
Εκτός από τη διχόνοια, ο Γιώργος Μάτσας, θεωρητικός επίσης στο κρατικό πανεπιστήμιο του Σάο Πάολο και συγγραφέας της νέας εφημερίδας, λέει ότι αναζητά πειραματιστές που ενδιαφέρονται να εκτελέσουν το τεστ. Θα μπορούσε να γίνει με επιταχυντές σωματιδίων και ηλεκτρομαγνήτες που είναι διαθέσιμοι αυτή τη στιγμή, λέει ο Μάτσας. «Οι παράμετροι στο έγγραφο επιλέχθηκαν για να είναι ρεαλιστικές», λέει. Ακόμα κι αν το πείραμα λειτουργεί όπως είχε προβλεφθεί, ωστόσο, η συζήτηση σχετικά με το φαινόμενο Unruh φαίνεται πιθανό να σιγοκαίει.
