Unruh effekt

Unruh-effekt , eller Unruh-strålning , är effekten av att observera termisk strålning i en accelererande referensram i frånvaro av denna strålning i en tröghetsreferensram , förutspådd av kvantfältteori . Med andra ord kommer en accelererande observatör att se strålningsbakgrunden runt sig, även om en icke-accelererande observatör inte ser någonting. Markkvanttillståndet ( fysiskt vakuum ) i en tröghetsram verkar vara ett tillstånd med en temperatur som inte är noll i en accelererande referensram.

Effekten förutspåddes teoretiskt 1976 av William Unruh från University of British Columbia .

Unruh visade att begreppet vakuum beror på hur observatören rör sig genom rum-tiden. Om det bara finns vakuum runt en stationär observatör, kommer en accelererande observatör att se många partiklar runt sig som är i termodynamisk jämvikt , det vill säga varm gas. Unruh-effekten är kontraintuitiv , den kräver en förändring i förståelsen av begreppet vakuum, så att man bara kan tala om vakuum i förhållande till något objekt.

Experimentell bekräftelse och själva existensen av Unruh-effekten kan diskuteras: den vetenskapliga litteraturen fortsätter att diskutera denna fråga. Många forskare tror att Unruh-effekten inte har bekräftats experimentellt, men ett sådant experiment är förmodligen möjligt [1] . Andra menar att i standardformuleringen av problemet är effekten i princip inte observerbar [2] , eller så innehåller själva formuleringen av problemet felaktiga antaganden [3] .

Förklaring

Enligt moderna definitioner är begreppet vakuum  inte detsamma som tomt utrymme , eftersom allt utrymme är fyllt med kvantiserade fält (ibland talar man om virtuella partiklar ). Vakuum är det enklaste, lägsta möjliga energitillståndet . Energinivåerna för varje kvantiserat fält beror på Hamiltonian , som i sin tur i allmänhet beror på koordinater, momenta och tid . Därför beror Hamiltonian, och därmed begreppet vakuum, på referensramen. I Minkowski-rymden, på grund av dess höga symmetri, är vakuum samma tillstånd för alla tröghetsreferensramar . Men detta upphör att vara sant redan för icke-tröghetssystem i Minkowski-rummet, och ännu mer för nästan godtyckligt krökta rum av allmän relativitet.

Som bekant är antalet partiklar ett egenvärde för en operator som beror på skapelse- och förintelseoperatorerna. Innan vi definierar skapelse- och förintelseoperatorerna måste vi bryta ner det fria fältet i positiva och negativa frekvenskomponenter. Och detta kan bara göras i utrymmen med en tidsliknande dödande vektor (åtminstone asymptotiskt). Expansionen kommer att vara annorlunda i galileiska och Rindler-koordinater , trots att skapelse- och förintelseoperatörerna i dem är relaterade till Bogolyubov-transformationen . Det är därför antalet partiklar beror på referensramen.

Unruh-effekten och allmän relativitet

Unruh-effekten gör det möjligt att ge en grov förklaring av Hawking-strålning , men kan inte betraktas som dess fullständiga analog [4] . Med likformigt accelererad rörelse uppstår även en händelsehorisont bakom en accelererande kropp , men skillnaden i problemens randvillkor ger olika lösningar på dessa effekter. Särskilt tillvägagångssättet baserat på beräkningen av begränsade banintegraler ger följande bild för Unruh-effekten: den "termiska atmosfären" hos en accelererad observatör består av virtuella partiklar, men om en sådan virtuell partikel absorberas av en accelererad observatör, då motsvarande antipartikel blir verklig och är tillgänglig för detektering av tröghetsobservatören [4] . I detta fall förlorar den accelererade observatören en del av sin energi. När det gäller Hawking-effekten för ett svart hål som bildas som ett resultat av gravitationskollaps är bilden annorlunda: partiklarna i den "termiska atmosfären" som uppträder som ett resultat av effekten är verkliga. Dessa partiklar, som går till oändligheten, kan observeras och absorberas av en avlägsen observatör, men oavsett deras absorption bär dessa partiklar bort massan (energin) från det svarta hålet [4] .

Numeriskt värde

Temperaturen på den observerade Unruh-strålningen uttrycks med samma formel som Hawking-strålningstemperaturen , men beror inte på ytgravitationen, utan på accelerationen av referensramen a .

Temperaturen på vakuumet i referensramen för en partikel som rör sig med standardaccelerationen för markbunden fritt fall på 9,81 m/s² är lika med 4 × 10 −20 K. För experimentell verifiering av Unruh-effekten är det planerat att uppnå en partikelacceleration på 10 26 m/s² , vilket motsvarar temperaturer på cirka 400 000 K. Det finns förslag på hur man med hjälp av Berry-fasen experimentellt kan testa effekten vid mycket lägre accelerationer, upp till 10 17 m/s² [5] .

Med hjälp av ringelektronacceleratorer kan man experimentellt spåra effekten av elektronacceleration på deras rörelse i riktningen vinkelrät mot accelerationen, och på så sätt experimentellt upptäcka Unruh-effekten [6] [7] .

Unruh-effekten innebär också en förändring i sönderfallshastigheten för accelererade partiklar med avseende på partiklar som rör sig genom tröghet [6] [7] . Vissa stabila partiklar (som protonen ) får en ändlig sönderfallstid [8] . I synnerhet kan en proton sönderfalla längs kanalen p → n + e + + ν e , vilket är förbjudet enligt lagen om energibevarande för en vilande eller likformigt rörlig proton [9] [10] . Vid accelerationer som kan uppnås på jorden är denna effekt extremt svag (för en proton i LHC med en acceleration på 10 21 m/s 2 livstidsår [ 9] ), men under vissa astrofysiska förhållanden kan denna tid reduceras avsevärt. Till exempel är accelerationen för en proton med en energi på 1,6×10 5 GeV som har fallit in i magnetfältet på en pulsar med B  = 10 14 Gs 5×10 31 m/s 2 , och "laboratoriets" livslängd minskar till ~0,1 sekund [9] .

År 2020 bildades ett förslag för att experimentellt testa effekten [11] i ett Bose–Einstein-kondensat .

Anteckningar

  1. ↑ Luís CB Crispino, Atsushi Higuchi och George EA Matsas. Unruh-effekten och dess tillämpningar // Rev. Mod. Phys.. - 2008. - Vol. 80. - P. 787. - arXiv : 0710.5373 . - doi : 10.1103/RevModPhys.80.787 .
  2. ↑ Igor Peña, Daniel Sudarsky. Om möjligheten att mäta Unruh-effekten // Fysikens grunder. - 2014. - Vol. 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. Finns det en Unruh-effekt? . JETP Letters, Volym 65, Issue 12, s. 861-866 . ZhETF (25 juni 1997).
  4. ↑ 1 2 3 M. B. Mensky. Relativistiska kvantmätningar, Unruh-effekten och svarta hål  // Teoretisk och matematisk fysik . - 1998. - T. 115 , nr 2 . - S. 215-232 .
  5. ↑ Eduardo Martín-Martinez, Ivette Fuentes och Robert B. Mann. Använda Berry's Phase för att upptäcka Unruh-effekten vid lägre accelerationer   // Phys . Varv. Lett.. - 2011. - Vol. 107.- Iss. 13 . — S. 131301 [5 sidor]. - doi : 10.1103/PhysRevLett.107.131301 . - arXiv : 1012.2208 . .
  6. ↑ 1 2 Ginzburg VL , Frolov VP Vakuum i ett enhetligt gravitationsfält och excitation av en enhetligt accelererad detektor // Einstein-samlingen 1986-1990. - M., Nauka, 1990. - Upplaga 2600 ex. — c. 190-278
  7. ↑ 1 2 Ginzburg V. L. , Frolov V. P. Vakuum i ett enhetligt gravitationsfält och excitation av en enhetligt accelererad detektor // UFN , 1987, v. 153, sid. 633-674
  8. ↑ R. Mueller. Nedbrytning av accelererade partiklar   // Phys . Varv. D. - 1997. - Vol. 56. - P. 953-960. - doi : 10.1103/PhysRevD.56.953 . - arXiv : hep-th/9706016 . .
  9. ↑ 1 2 3 Vanzella DAT, Matsas GEA Nedbrytning av accelererade protoner och förekomsten av Fulling-Davies-Unruh-effekten   // Phys . Varv. Lett.. - 2001. - Vol. 87. - P. 151301. - doi : 10.1103/PhysRevLett.87.151301 . - arXiv : gr-qc/0104030 .
  10. ↑ Suzuki H., Yamada K. Analytisk utvärdering av sönderfallshastigheten för accelererad proton   // Phys . Varv. D. - 2003. - Vol. 67. - P. 065002. - doi : 10.1103/PhysRevD.67.065002 . - arXiv : gr-qc/0211056 .
  11. ↑ Bose-kondensat kan hjälpa till att testa Unruh-effekten . Nplus1.ru (30 november 2020). Tillträdesdatum: 30 november 2020.