Unruh effekt

Unruh-effekt eller Unruh-stråling er effekten af ​​at observere termisk stråling i en accelererende referenceramme i fravær af denne stråling i en inerti-referenceramme , forudsagt af kvantefeltteori . Med andre ord vil en accelererende observatør se strålingsbaggrunden omkring sig, selvom en ikke-accelererende observatør intet ser. Jordkvantetilstanden ( fysisk vakuum ) i en inertiramme ser ud til at være en tilstand med en temperatur, der ikke er nul, i en accelererende referenceramme.

Effekten blev teoretisk forudsagt i 1976 af William Unruh fra University of British Columbia .

Unruh viste, at begrebet vakuum afhænger af, hvordan observatøren bevæger sig gennem rum-tid. Hvis der kun er vakuum omkring en stationær observatør, vil en accelererende observatør se mange partikler omkring sig, der er i termodynamisk ligevægt , det vil sige varm gas. Unruh-effekten er kontraintuitiv , den kræver en ændring i forståelsen af ​​begrebet vakuum, så man kun kan tale om vakuum i forhold til et eller andet objekt.

Eksperimentel bekræftelse og selve eksistensen af ​​Unruh-effekten kan diskuteres: den videnskabelige litteratur fortsætter med at diskutere dette spørgsmål. Mange forskere mener, at Unruh-effekten ikke er blevet bekræftet eksperimentelt, men et sådant eksperiment er sandsynligvis muligt [1] . Andre mener, at i standardformuleringen af ​​problemet er effekten i princippet ikke observerbar [2] , eller selve problemformuleringen indeholder fejlagtige antagelser [3] .

Forklaring

Ifølge moderne definitioner er begrebet vakuum  ikke det samme som tomt rum , da alt rum er fyldt med kvantiserede felter (nogle gange taler de om virtuelle partikler ). Vakuum er den enkleste, lavest mulige energitilstand . Energiniveauerne for ethvert kvantiseret felt afhænger af Hamiltonian , som igen generelt afhænger af koordinater, momenta og tid . Derfor afhænger Hamiltonianeren, og dermed begrebet vakuum, af referencerammen. I Minkowski-rummet er vakuum på grund af dets høje symmetri den samme tilstand for alle inertielle referencerammer. Men dette ophører med at være sandt allerede for ikke-inertielle systemer i Minkowski-rummet, og endnu mere for næsten vilkårligt buede rum af generel relativitet.

Som det er kendt, er antallet af partikler en egenværdi af en operator, der afhænger af skabelses- og udslettelsesoperatorerne. Før vi definerer skabelses- og udslettelsesoperatørerne, er vi nødt til at dekomponere det frie felt i positive og negative frekvenskomponenter. Og dette kan kun gøres i rum med en tidslignende drabsvektor (i det mindste asymptotisk). Udvidelsen vil være anderledes i galilæiske og Rindler-koordinater , på trods af at skabelses- og udslettelsesoperatørerne i dem er relateret til Bogolyubov-transformationen . Derfor afhænger antallet af partikler af referencerammen.

Unruh-effekten og generel relativitetsteori

Unruh-effekten gør det muligt at give en grov forklaring på Hawking-stråling , men kan ikke betragtes som dens komplette analog [4] . Ved ensartet accelereret bevægelse opstår der også en begivenhedshorisont bag et accelererende legeme , men forskellen i problemernes randbetingelser giver forskellige løsninger på disse effekter. Især giver tilgangen baseret på beregningen af ​​begrænsede vejintegraler følgende billede for Unruh-effekten: den "termiske atmosfære" af en accelereret observatør består af virtuelle partikler, men hvis en sådan virtuel partikel absorberes af en accelereret observatør, så den tilsvarende antipartikel bliver reel og er tilgængelig til påvisning af inertiobservatør [4] . I dette tilfælde mister den accelererede observatør en del af sin energi. I tilfældet med Hawking-effekten for et sort hul dannet som følge af gravitationssammenbrud , er billedet anderledes: partiklerne i den "termiske atmosfære", der opstår som følge af effekten, er virkelige. Disse partikler, der går til det uendelige, kan observeres og absorberes af en fjern observatør, men uanset deres absorption, transporterer disse partikler massen (energien) fra det sorte hul [4] .

Numerisk værdi

Temperaturen af ​​den observerede Unruh-stråling er udtrykt med samme formel som Hawking-strålingstemperaturen , men afhænger ikke af overfladetyngdekraften, men af ​​accelerationen af ​​referencerammen a .

Således er temperaturen af ​​vakuumet i referencerammen for en partikel, der bevæger sig med den jordbaserede frie faldsacceleration på 9,81 m/s² lig med 4 × 10 −20 K. Til eksperimentel verifikation af Unruh-effekten er det planlagt at opnå en partikelacceleration på 10 26 m/s² , hvilket svarer til temperaturer på omkring 400.000 K. Der er forslag til, hvordan man ved hjælp af Berry-fasen eksperimentelt kan teste effekten ved meget lavere accelerationer, op til 10 17 m/s² [5] .

Ved hjælp af ringelektronacceleratorer kan man eksperimentelt spore effekten af ​​elektronacceleration på deres bevægelse i retningen vinkelret på accelerationen og dermed eksperimentelt detektere Unruh-effekten [6] [7] .

Unruh-effekten medfører også en ændring i henfaldshastigheden af ​​accelererede partikler i forhold til partikler, der bevæger sig ved inerti [6] [7] . Nogle stabile partikler (såsom protonen ) får en begrænset henfaldstid [8] . Især kan en proton henfalde langs kanalen p → n + e + + ν e , hvilket er forbudt af loven om energibevarelse for en hvilende eller ensartet bevægende proton [9] [10] . Ved accelerationer, der kan opnås på Jorden, er denne effekt ekstremt svag (for en proton i LHC med en acceleration på 10 21 m/s 2 levetidsår [9] ), men under visse astrofysiske forhold kan denne tid reduceres væsentligt. For eksempel er accelerationen af ​​en proton med en energi på 1,6×10 5 GeV , der er faldet ind i magnetfeltet på en pulsar med B  = 10 14 Gs, 5×10 31 m/s 2 , og "laboratoriets" levetid falder til ~0,1 sekund [9] .

I 2020 blev der udarbejdet et forslag om eksperimentelt at teste effekten [11] i et Bose-Einstein-kondensat .

Noter

  1. ↑ Luís CB Crispino, Atsushi Higuchi og George EA Matsas. Unruh-effekten og dens anvendelser // Rev. Mod. Phys.. - 2008. - Vol. 80. - S. 787. - arXiv : 0710.5373 . - doi : 10.1103/RevModPhys.80.787 .
  2. ↑ Igor Peña, Daniel Sudarsky. Om muligheden for at måle Unruh-effekten // Fysikkens grundlag. - 2014. - Bd. 44. - S. 689-708. - arXiv : 1306.6621 . - doi : 10.1007/s10701-014-9806-0 .
  3. ↑ V.A. Belinsky, B.M. Karnakov, V.D. Mur, N.B. Narozhny. Er der en Unruh-effekt? . JETP Letters, bind 65, hæfte 12, s. 861-866 . ZhETF (25. juni 1997).
  4. ↑ 1 2 3 M. B. Mensky. Relativistiske kvantemålinger, Unruh-effekten og sorte huller  // Teoretisk og matematisk fysik . - 1998. - T. 115 , nr. 2 . - S. 215-232 .
  5. ↑ Eduardo Martín-Martinez, Ivette Fuentes og Robert B. Mann. Brug af Berry's Phase til at opdage Unruh-effekten ved lavere accelerationer   // Fysisk . Rev. Lett.. - 2011. - Vol. 107.- Iss. 13 . — S. 131301 [5 sider]. - doi : 10.1103/PhysRevLett.107.131301 . - arXiv : 1012.2208 . .
  6. ↑ 1 2 Ginzburg VL , Frolov VP Vakuum i et ensartet gravitationsfelt og excitation af en ensartet accelereret detektor // Einstein-samling 1986-1990. - M., Nauka, 1990. - Oplag 2600 eksemplarer. — c. 190-278
  7. ↑ 1 2 Ginzburg V. L. , Frolov V. P. Vakuum i et ensartet gravitationsfelt og excitation af en ensartet accelereret detektor // UFN , 1987, v. 153, s. 633-674
  8. ↑ R. Mueller. Nedbrydning af accelererede partikler   // Fysisk . Rev. D. - 1997. - Vol. 56. - S. 953-960. - doi : 10.1103/PhysRevD.56.953 . - arXiv : hep-th/9706016 . .
  9. ↑ 1 2 3 Vanzella DAT, Matsas GEA Nedbrydning af accelererede protoner og eksistensen af ​​Fulling-Davies-Unruh-effekten   // Phys . Rev. Lett.. - 2001. - Vol. 87. - S. 151301. - doi : 10.1103/PhysRevLett.87.151301 . - arXiv : gr-qc/0104030 .
  10. ↑ Suzuki H., Yamada K. Analytisk evaluering af henfaldshastigheden for accelereret proton   // Fysisk . Rev. D. - 2003. - Vol. 67. - P. 065002. - doi : 10.1103/PhysRevD.67.065002 . - arXiv : gr-qc/0211056 .
  11. ↑ Bose-kondensat kunne hjælpe med at teste Unruh-effekten . Nplus1.ru (30. november 2020). Dato for adgang: 30. november 2020.