Los físicos partieron en busca del brillo cuántico largamente buscado | Noticias del MIT



Para los fanáticos de «Star Wars», las estrellas fugaces vistas desde la cabina del Halcón Milenario mientras salta a través del hiperespacio es una imagen canónica. Pero, ¿qué vería realmente un piloto si pudiera acelerar en un instante a través del vacío del espacio? De acuerdo con una predicción conocida como el Efecto Unruh, lo más probable es que vea un brillo cálido.

Desde la década de 1970, cuando se propuso por primera vez, el efecto Unruh ha escapado a la detección, principalmente porque la probabilidad de ver el efecto es infinitesimalmente pequeña, lo que requiere grandes aceleraciones o una gran cantidad de tiempo de observación. Pero investigadores del MIT y la Universidad de Waterloo creen haber encontrado una forma de aumentar significativamente la probabilidad de observar el efecto Unruh, que detallan en un estudio publicado hoy en Cartas de exploración física.

En lugar de observar el efecto espontáneamente como otros han intentado en el pasado, el equipo propone estimular el fenómeno de una manera muy particular que refuerza el efecto Unruh mientras suprime otros efectos competidores. Los investigadores comparan su idea con arrojar una capa de invisibilidad sobre otros fenómenos convencionales, que luego deberían revelar el efecto Unruh mucho menos obvio.

Si se puede realizar en un experimento práctico, este nuevo enfoque estimulado, con una capa adicional de invisibilidad (o «transparencia inducida por aceleración», como se describe en el artículo) podría aumentar significativamente la probabilidad de observar el efecto Unruh. En lugar de esperar más tiempo que la edad del universo para que una partícula acelerada produzca un brillo cálido como predice el efecto Unruh, el enfoque del equipo reduciría ese tiempo de espera a unas pocas horas.

«Ahora, al menos, sabemos que existe una posibilidad en nuestra vida en la que podríamos ver este efecto», dice el coautor del estudio Vivishek Sudhir, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT, que está diseñando un experimento para capturar el efecto basado en sobre la teoría de grupos. «Es un experimento difícil y no hay garantía de que podamos hacerlo, pero esta idea es nuestra esperanza más cercana».

Los coautores del estudio también incluyen a Barbara Šoda y Achim Kempf de la Universidad de Waterloo.

Conexión cercana

El efecto Unruh también se conoce como efecto Fulling-Davies-Unruh, llamado así por los tres físicos que lo propusieron originalmente. La predicción indica que un cuerpo que acelera en el vacío debería sentir la presencia de radiación caliente solo como un efecto de la aceleración del cuerpo. Este efecto está relacionado con las interacciones cuánticas entre la materia acelerada y las fluctuaciones cuánticas en el vacío del espacio vacío.

Para producir un brillo lo suficientemente caliente para que lo midieran los detectores, un cuerpo como un átomo tendría que acelerar a la velocidad de la luz en menos de una millonésima de segundo. Tal aceleración equivaldría a una fuerza g de un cuatrillón de metros por segundo al cuadrado (un piloto de combate normalmente experimenta una fuerza g de 10 metros por segundo al cuadrado).

“Para ver este efecto en un corto período de tiempo, tendrías que tener una aceleración increíble”, dice Sudhir. «Si tuvieras una aceleración razonable, tendrías que esperar una enorme cantidad de tiempo, más que la edad del universo, para ver un efecto medible».

¿Cuál sería el punto entonces? Por un lado, dice que observar el efecto Unruh sería una validación de las interacciones cuánticas fundamentales entre la materia y la luz. Y, por otro lado, la detección podría representar un espejo del efecto Hawking, una propuesta del físico Stephen Hawking que predice un brillo térmico similar, o «radiación de Hawking», a partir de las interacciones de la luz y la materia en un campo gravitatorio extremo, como alrededor. un agujero negro

«Existe una estrecha conexión entre el efecto Hawking y el efecto Unruh: son exactamente el efecto complementario uno del otro», dice Sudhir, quien agrega que si uno fuera a observar el efecto Unruh, «habríamos observado un mecanismo que es común a ambos efectos.

Una trayectoria transparente

El efecto Unruh debería ocurrir espontáneamente en el vacío. De acuerdo con la teoría del campo cuántico, el vacío no es solo un espacio vacío, sino un campo de fluctuaciones cuánticas inquietas, en el que cada banda de frecuencia mide aproximadamente el tamaño de medio fotón. Unruh predijo que un cuerpo acelerado en el vacío debería amplificar estas fluctuaciones, de una manera que produce un cálido resplandor térmico de partículas.

En su estudio, los investigadores introdujeron un nuevo enfoque para aumentar la probabilidad del efecto Unruh, al agregar luz a todo el escenario, un enfoque conocido como estimulación.

«Cuando agregas fotones al campo, agregas ‘n’ veces más de esas fluctuaciones que ese medio fotón que está en el vacío», explica Sudhir. «Entonces, si acelera a través de este nuevo estado del campo, esperaría ver efectos que también aumentan ‘n’ veces lo que vería solo con el vacío».

Sin embargo, además del efecto Unruh cuántico, los fotones adicionales también amplificarían otros efectos en el vacío, un gran inconveniente que ha impedido que otros cazadores de efectos Unruh adopten el enfoque de estimulación.

Sin embargo, Šoda, Sudhir y Kempf han encontrado una solución a través de la «transparencia inducida por la aceleración», un concepto que introducen en el documento. Demostraron teóricamente que si un cuerpo como un átomo pudiera acelerarse con una trayectoria muy específica a través de un campo de fotones, el átomo interactuaría con el campo de tal manera que los fotones de cierta frecuencia parecerían esencialmente invisibles para los demás. átomo.

«Cuando estimulamos el efecto Unruh, estimulamos los efectos convencionales o resonantes al mismo tiempo, pero mostramos que al diseñar la trayectoria de la partícula, podemos desactivar esencialmente estos efectos», explica Šoda.

Al hacer que todos los demás efectos sean transparentes, los investigadores podrían tener una mejor oportunidad de medir fotones o radiación térmica solo del efecto Unruh, como habían predicho los físicos.

Los investigadores ya tienen algunas ideas sobre cómo diseñar un experimento basado en su hipótesis. Planean construir un acelerador de partículas del tamaño de un laboratorio capaz de acelerar un electrón a una velocidad cercana a la de la luz, que luego estimularían usando un rayo láser a longitudes de onda de microondas. Están buscando formas de diseñar el camino del electrón para suprimir los efectos clásicos, mientras amplifican el escurridizo efecto Unruh.

«Ahora tenemos este mecanismo que parece amplificar estadísticamente este efecto a través de la estimulación», dice Sudhir. «Dados los 40 años de historia de este problema, ahora teóricamente hemos resuelto el mayor cuello de botella».

Esta investigación fue financiada, en parte, por el Consejo Nacional de Investigación en Ciencia e Ingeniería de Canadá, el Consejo de Investigación de Australia y un Premio de Investigación de la Facultad de Google.

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