Zavartalan hatás

Az Unruh-effektus vagy Unruh-sugárzás a hősugárzás megfigyelésének hatása egy gyorsuló vonatkoztatási rendszerben e sugárzás hiányában egy inerciális vonatkoztatási rendszerben , amelyet a kvantumtérelmélet jósolt meg . Más szóval, a gyorsuló megfigyelő akkor is látni fogja a sugárzási hátteret maga körül, ha a nem gyorsuló megfigyelő semmit sem lát. Az alapkvantumállapot ( fizikai vákuum ) egy inerciarendszerben olyan állapotnak tűnik, amelynek hőmérséklete nem nulla a gyorsuló referenciakeretben.

A hatást elméletileg 1976-ban jósolta meg William Unruh , a British Columbia Egyetem munkatársa .

Unruh megmutatta, hogy a vákuum fogalma attól függ, hogy a megfigyelő hogyan mozog a téridőben. Ha egy álló megfigyelő körül csak vákuum van, akkor a gyorsuló megfigyelő sok olyan részecskét lát maga körül, amelyek termodinamikai egyensúlyban vannak , azaz meleg gázt. Az Unruh-effektus ellentétes az intuitív hatásokkal , megköveteli a vákuum fogalmának megértését, lehetővé téve, hogy vákuumról csak valamilyen tárgy vonatkozásában beszéljünk.

A kísérleti megerősítés és az Unruh-effektus léte vitatható: a tudományos irodalom továbbra is foglalkozik ezzel a kérdéssel. Sok kutató úgy véli, hogy az Unruh-effektust nem erősítették meg kísérletileg, de egy ilyen kísérlet valószínűleg lehetséges [1] . Mások úgy vélik, hogy a probléma standard megfogalmazásánál a hatás elvileg nem figyelhető meg [2] , vagy maga a probléma megfogalmazása is tartalmaz hibás feltételezéseket [3] .

Magyarázat

A modern definíciók szerint a vákuum fogalma  nem azonos az üres térrel , mivel minden tér kvantált mezőkkel van kitöltve (néha virtuális részecskékről beszélnek ). A vákuum a lehető legegyszerűbb, legalacsonyabb energiájú állapot. Bármely kvantált mező energiaszintje a Hamilton -függvénytől függ , amely viszont általában a koordinátáktól, a momentumoktól és az időtől függ . Ezért a Hamilton-féle, és így a vákuum fogalma a vonatkoztatási rendszertől függ. A Minkowski-térben nagy szimmetriája miatt a vákuum minden inerciális vonatkoztatási rendszerben azonos állapotú . De ez már nem igaz a Minkowski-tér nem inerciális rendszereire, és még inkább az általános relativitáselmélet szinte tetszőlegesen görbült tereire.

Mint ismeretes, a részecskék száma egy operátor sajátértéke, amely a létrehozási és megsemmisítési operátoroktól függ. A létrehozási és megsemmisítési operátorok meghatározása előtt a szabad mezőt pozitív és negatív frekvenciakomponensekre kell bontanunk. Ez pedig csak időszerű Killing vektorral rendelkező terekben valósítható meg (legalábbis aszimptotikusan). A bővítés eltérő lesz Galilei és Rindler koordinátákban , annak ellenére, hogy a bennük lévő teremtési és megsemmisítési operátorok a Bogolyubov-transzformációval kapcsolódnak egymáshoz . Éppen ezért a részecskék száma a vonatkoztatási rendszertől függ.

Az Unruh-effektus és az általános relativitáselmélet

Az Unruh-effektus lehetővé teszi a Hawking-sugárzás durva magyarázatát , de nem tekinthető teljes analógjának [4] . Egyenletesen gyorsuló mozgásnál egy gyorsuló test mögött is kialakul egy eseményhorizont , de a problémák peremfeltételeinek különbsége eltérő megoldásokat ad ezekre a hatásokra. Konkrétan a korlátozott útintegrálok számításán alapuló megközelítés az Unruh-effektusra a következő képet ad: egy gyorsított megfigyelő „termikus atmoszférája” virtuális részecskékből áll, de ha egy ilyen virtuális részecskét egy gyorsított megfigyelő elnyel, akkor a megfelelő antirészecske valóssá válik, és elérhetővé válik az inerciális megfigyelő általi kimutatásra [4] . Ilyenkor a felgyorsult megfigyelő elveszíti energiájának egy részét. A gravitációs összeomlás következtében kialakult fekete lyuk Hawking-effektusa esetében más a kép: a hatás hatására megjelenő "termikus atmoszféra" részecskéi valósak. Ezeket a végtelenbe menő részecskéket távoli szemlélő is megfigyelheti és elnyeli, azonban elnyelésüktől függetlenül ezek a részecskék elviszik a fekete lyuk tömegét (energiáját) [4] .

Számérték

A megfigyelt Unruh-sugárzás hőmérsékletét ugyanazzal a képlettel fejezzük ki, mint a Hawking-sugárzás hőmérsékletét, de nem a felszíni gravitációtól, hanem a vonatkoztatási rendszer gyorsulásától függ .

Így a 9,81 m/s² szabványos földi szabadesési gyorsulással mozgó részecske referenciarendszerében a vákuum hőmérséklete 4 × 10 -20 K. Az Unruh-effektus kísérleti igazolására a tervek szerint 10 26 m/s² -es részecskegyorsulás érhető el , ami körülbelül 400 000 K hőmérsékletnek felel meg . Vannak olyan javaslatok, amelyek segítségével a Berry-fázis segítségével kísérletileg tesztelhető a hatás sokkal kisebb, akár 10 17 m/s² gyorsulásoknál [5] .

Gyűrűs elektrongyorsítók segítségével kísérletileg nyomon követhető az elektrongyorsulás hatása a gyorsulásra merőleges irányú mozgásukra, és így kísérletileg kimutatható az Unruh-effektus [6] [7] .

Az Unruh-effektus a felgyorsult részecskék bomlási sebességének változását is maga után vonja a tehetetlenséggel mozgó részecskékhez képest [6] [7] . Egyes stabil részecskék (például a proton ) véges bomlási időt kapnak [8] . A proton különösen a p → n + e + + ν e csatorna mentén bomlik le , amit az energiamegmaradás törvénye tilt egy nyugvó vagy egyenletesen mozgó proton számára [9] [10] . A Földön elérhető gyorsulásoknál ez a hatás rendkívül gyenge ( 10 21 m/s gyorsulású protonnál az LHC -ban 2 élettartam év [9] ), azonban bizonyos asztrofizikai körülmények között ez az idő jelentősen csökkenthető. Például a B  = 10 14 Gs pulzár mágneses terébe esett 1,6×10 5 GeV energiájú proton gyorsulása 5×10 31 m/s 2 , és a „laboratóriumi” élettartam csökken. ~0,1 másodpercig [9] .

2020-ban javaslat született a hatás kísérleti tesztelésére [11] egy Bose–Einstein kondenzátumban .

Jegyzetek

  1. ↑ Luís CB Crispino, Atsushi Higuchi és George EA Matsas. Az Unruh-effektus és alkalmazásai // Rev. Mod. Phys.. - 2008. - Vol. 80. - P. 787. - arXiv : 0710.5373 . - doi : 10.1103/RevModPhys.80.787 .
  2. ↑ Igor Peña, Daniel Sudarsky. Az Unruh-effektus mérésének lehetőségéről // A fizika alapjai. - 2014. - Kt. 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. Narozhny. Van Unruh-effektus? . JETP Letters, 65. kötet, 12. szám, 861-866 . ZhETF (1997. június 25.).
  4. ↑ 1 2 3 M. B. Mensky. Relativisztikus kvantummérések, az Unruh-effektus és a fekete lyukak  // Elméleti és matematikai fizika . - 1998. - T. 115 , 2. sz . - S. 215-232 .
  5. ↑ Eduardo Martín-Martinez, Ivette Fuentes és Robert B. Mann. A Berry-fázis használata az Unruh-effektus észlelésére kisebb gyorsulásoknál   // Phys . Fordulat. Lett.. - 2011. - Vol. 107.- Iss. 13 . — P. 131301 [5 oldal]. - doi : 10.1103/PhysRevLett.107.131301 . - arXiv : 1012.2208 . .
  6. ↑ 1 2 Ginzburg VL , Frolov VP Vákuum egyenletes gravitációs térben és egyenletesen gyorsított detektor gerjesztése // Einstein-gyűjtemény 1986-1990. - M., Nauka, 1990. - Példányszám 2600 példány. — c. 190-278
  7. ↑ 1 2 Ginzburg V. L. , Frolov V. P. Vákuum egyenletes gravitációs mezőben és egyenletesen gyorsított detektor gerjesztése // UFN , 1987, 153. v., p. 633-674
  8. ↑ R. Mueller. A felgyorsított részecskék bomlása   // Phys . Fordulat. D. - 1997. - 1. évf. 56. - P. 953-960. - doi : 10.1103/PhysRevD.56.953 . - arXiv : hep-th/9706016 . .
  9. ↑ 1 2 3 Vanzella DAT, Matsas GEA A felgyorsult protonok bomlása és a Fulling-Davies-Unruh effektus   // Phys . Fordulat. Lett.. - 2001. - Vol. 87. - P. 151301. - doi : 10.1103/PhysRevLett.87.151301 . - arXiv : gr-qc/0104030 .
  10. ↑ Suzuki H., Yamada K. A gyorsított proton bomlási sebességének analitikus értékelése   // Phys . Fordulat. D. - 2003. - Kt. 67. - P. 065002. - doi : 10.1103/PhysRevD.67.065002 . - arXiv : gr-qc/0211056 .
  11. ↑ A Bose kondenzátum segíthet az Unruh hatás tesztelésében . Nplus1.ru (2020. november 30.). Hozzáférés időpontja: 2020. november 30.