Unruh efekt

Unruhův efekt nebo Unruhovo záření je účinek pozorování tepelného záření ve zrychlující se vztažné soustavě v nepřítomnosti tohoto záření v inerciální vztažné soustavě , předpovězené kvantovou teorií pole . Jinými slovy, zrychlující pozorovatel uvidí radiační pozadí kolem sebe, i když nezrychlující pozorovatel nic nevidí. Základní kvantový stav ( fyzické vakuum ) v inerciální soustavě se zdá být stavem s nenulovou teplotou ve zrychlující se vztažné soustavě.

Efekt byl teoreticky předpovídán v roce 1976 Williamem Unruhem z University of British Columbia .

Unruh ukázal, že koncept vakua závisí na tom, jak se pozorovatel pohybuje časoprostorem. Pokud je kolem stacionárního pozorovatele pouze vakuum, pak zrychlující pozorovatel uvidí kolem sebe mnoho částic, které jsou v termodynamické rovnováze , tedy teplý plyn. Unruhův efekt je kontraintuitivní , vyžaduje změnu v chápání pojmu vakua, což umožňuje mluvit o vakuu pouze ve vztahu k nějakému objektu.

Experimentální potvrzení a samotná existence Unruhova efektu je diskutabilní: vědecká literatura tuto záležitost nadále diskutuje. Mnoho badatelů se domnívá, že Unruhův efekt nebyl experimentálně potvrzen, ale takový experiment je pravděpodobně možný [1] . Jiní se domnívají, že při standardní formulaci problému není efekt v zásadě pozorovatelný [2] , nebo samotná formulace problému obsahuje chybné předpoklady [3] .

Vysvětlení

Podle moderních definic pojem vakua  není stejný jako prázdný prostor , protože celý prostor je vyplněn kvantovanými poli (někdy se mluví o virtuálních částicích ). Vakuum je nejjednodušší stav s nejnižší energií . Energetické hladiny jakéhokoli kvantovaného pole závisí na Hamiltoniánu , který zase obecně závisí na souřadnicích, hybnosti a čase . Hamiltonián, a tedy i pojem vakua, závisí na vztažné soustavě. V Minkowského prostoru je vakuum díky své vysoké symetrii stejný stav pro všechny inerciální vztažné soustavy . To už ale přestává platit pro neinerciální soustavy v Minkowského prostoru a ještě více pro téměř libovolně zakřivené prostory obecné relativity.

Jak je známo, počet částic je vlastní hodnotou operátoru, která závisí na operátorech vytvoření a anihilace. Před definováním operátorů vytvoření a zániku musíme volné pole rozložit na kladnou a zápornou frekvenční složku. A to lze provést pouze v prostorech s časově podobným Killingovým vektorem (alespoň asymptoticky). Expanze se bude lišit v Galileových a Rindlerových souřadnicích , přestože operátory stvoření a anihilace v nich souvisí s Bogolyubovovou transformací . To je důvod, proč počet částic závisí na vztažné soustavě.

Unruhův efekt a obecná teorie relativity

Unruhův efekt umožňuje podat hrubé vysvětlení Hawkingova záření , ale nelze jej považovat za jeho úplný analog [4] . Při rovnoměrně zrychleném pohybu vzniká za zrychlujícím se tělesem také horizont událostí , ale rozdíl v okrajových podmínkách problémů dává různá řešení pro tyto efekty. Konkrétně přístup založený na výpočtu omezených integrálů dráhy poskytuje následující obrázek pro Unruhův efekt: „tepelná atmosféra“ zrychleného pozorovatele se skládá z virtuálních částic, ale pokud je taková virtuální částice absorbována zrychleným pozorovatelem, pak odpovídající antičástice se stává skutečnou a je k dispozici pro detekci inerciálním pozorovatelem [4] . V tomto případě zrychlený pozorovatel ztrácí část své energie. V případě Hawkingova jevu pro černou díru vytvořenou v důsledku gravitačního kolapsu je obrázek jiný: částice "tepelné atmosféry" objevující se v důsledku tohoto efektu jsou skutečné. Tyto částice jdoucí do nekonečna mohou být pozorovány a absorbovány vzdáleným pozorovatelem, avšak bez ohledu na jejich absorpci tyto částice unesou hmotu (energii) černé díry [4] .

Číselná hodnota

Teplota pozorovaného Unruhova záření je vyjádřena stejným vzorcem jako teplota Hawkingova záření , ale nezávisí na gravitaci povrchu, ale na zrychlení vztažné soustavy a .

Teplota vakua v referenčním rámci částice pohybující se standardním pozemským zrychlením volného pádu 9,81 m/s² se tedy rovná 4 × 10 −20 K. Pro experimentální ověření Unruhova efektu se plánuje dosažení zrychlení částic 10 26 m/s² , což odpovídá teplotám asi 400 000 K. Existují návrhy, jak lze pomocí Berryho fáze experimentálně testovat účinek při mnohem nižších zrychleních, až 10 17 m/s² [5] .

Pomocí prstencových urychlovačů elektronů lze experimentálně sledovat vliv zrychlení elektronů na jejich pohyb ve směru kolmém na zrychlení a experimentálně tak detekovat Unruhův jev [6] [7] .

Unruhův efekt také znamená změnu v rychlosti rozpadu urychlených částic vzhledem k částicím pohybujícím se setrvačností [6] [7] . Některé stabilní částice (jako je proton ) získávají konečný čas rozpadu [8] . Konkrétně se proton může rozpadnout podél kanálu p → n + e + + ν e , což zákon zachování energie pro klidový nebo rovnoměrně se pohybující proton zakazuje [9] [10] . Při zrychlení dosažitelných na Zemi je tento efekt extrémně slabý (pro proton v LHC se zrychlením 10 21 m/s 2 roky života [9] ), nicméně za určitých astrofyzikálních podmínek lze tuto dobu výrazně zkrátit. Například zrychlení protonu s energií 1,6×10 5 GeV , který spadl do magnetického pole pulsaru s B  = 10 14 Gs, je 5×10 31 m/s 2 a „laboratorní“ životnost se snižuje. na ~0,1 sekundy [9] .

V roce 2020 byl vytvořen návrh experimentálně otestovat účinek [11] v Bose-Einsteinově kondenzátu .

Poznámky

  1. ↑ Luís CB Crispino, Atsushi Higuchi a George EA Matsas. Unruhův efekt a jeho aplikace // Rev. Mod. Phys.. - 2008. - Sv. 80. - S. 787. - arXiv : 0710.5373 . - doi : 10.1103/RevModPhys.80.787 .
  2. ↑ Igor Peňa, Daniel Sudarsky. O možnosti měření Unruh Effect // Základy fyziky. - 2014. - Sv. 44. - S. 689-708. - arXiv : 1306.6621 . - doi : 10.1007/s10701-014-9806-0 .
  3. ↑ V.A. Belinský, B.M. Karnakov, V.D. Mur, N. B. Narozhny. Existuje Unruhův efekt? . JETP Letters, svazek 65, vydání 12, str. 861-866 . ZhETF (25. června 1997).
  4. ↑ 1 2 3 M. B. Menský. Relativistická kvantová měření, Unruhův jev a černé díry  // Teoretická a matematická fyzika . - 1998. - T. 115 , č. 2 . - S. 215-232 .
  5. ↑ Eduardo Martín-Martinez, Ivette Fuentes a Robert B. Mann. Použití Berryho fáze k detekci Unruh Effect při nižších akceleracích   // Phys . Rev. Lett.. - 2011. - Sv. 107.- Iss. 13 . — S. 131301 [5 stran]. - doi : 10.1103/PhysRevLett.107.131301 . - arXiv : 1012.2208 . .
  6. ↑ 1 2 Ginzburg VL , Frolov VP Vakuum v rovnoměrném gravitačním poli a buzení rovnoměrně zrychleného detektoru // Einsteinova sbírka 1986-1990. - M., Nauka, 1990. - Náklad 2600 výtisků. — c. 190-278
  7. ↑ 1 2 Ginzburg V. L. , Frolov V. P. Vakuum v rovnoměrném gravitačním poli a buzení rovnoměrně zrychleného detektoru // UFN , 1987, v. 153, str. 633-674
  8. ↑ R. Mueller. Rozpad urychlených částic   // Phys . Rev. D. - 1997. - Sv. 56. - S. 953-960. - doi : 10.1103/PhysRevD.56.953 . - arXiv : hep-th/9706016 . .
  9. ↑ 1 2 3 Vanzella DAT, Matsas GEA Rozpad urychlených protonů a existence Fulling-Davies-Unruhova efektu   // Phys . Rev. Lett.. - 2001. - Sv. 87. - S. 151301. - doi : 10.1103/PhysRevLett.87.151301 . - arXiv : gr-qc/0104030 .
  10. ↑ Suzuki H., Yamada K. Analytic Evaluation of the Decay Rate for Accelerated Proton   // Phys . Rev. D. - 2003. - Sv. 67. - S. 065002. - doi : 10.1103/PhysRevD.67.065002 . - arXiv : gr-qc/0211056 .
  11. ↑ Boseův kondenzát by mohl pomoci otestovat Unruhův efekt . Nplus1.ru (30. listopadu 2020). Datum přístupu: 30. listopadu 2020.