Epämiellyttävä vaikutus

Unruh-efekti eli Unruh-säteily on kvanttikenttäteorian ennustama vaikutus lämpösäteilyn havainnointiin kiihtyvässä vertailukehyksessä tämän säteilyn puuttuessa inertiaalisessa vertailukehyksessä . Toisin sanoen kiihtyvä tarkkailija näkee ympärillään olevan säteilytaustan, vaikka ei-kiihtyvä tarkkailija ei näkisi mitään. Peruskvanttitila ( fyysinen tyhjiö ) inertiakehyksessä näyttää olevan tila, jonka lämpötila on nollasta poikkeava kiihtyvässä vertailukehyksessä.

Vaikutuksen ennusti teoreettisesti vuonna 1976 William Unruh British Columbian yliopistosta .

Unruh osoitti, että tyhjiön käsite riippuu siitä, kuinka tarkkailija liikkuu aika-avaruudessa. Jos paikallaan olevan tarkkailijan ympärillä on vain tyhjiö, niin kiihtyvä tarkkailija näkee ympärillään monia termodynaamisessa tasapainossa olevia hiukkasia eli lämmintä kaasua. Unruh-ilmiö on intuitiivinen , se vaatii muutosta tyhjiön käsitteen ymmärtämiseen, jolloin tyhjiöstä voidaan puhua vain suhteessa johonkin kohteeseen.

Kokeellinen vahvistus ja Unruh-ilmiön olemassaolo ovat kiistanalaisia: tieteellinen kirjallisuus jatkaa keskustelua tästä asiasta. Monet tutkijat uskovat, että Unruhin vaikutusta ei ole varmistettu kokeellisesti, mutta tällainen koe on todennäköisesti mahdollinen [1] . Toiset uskovat, että ongelman standardimuotoilussa vaikutus ei periaatteessa ole havaittavissa [2] tai ongelman muotoilu itsessään sisältää virheellisiä oletuksia [3] .

Selitys

Nykyaikaisten määritelmien mukaan tyhjiön käsite  ei ole sama kuin tyhjä tila , koska kaikki tila on täynnä kvantisoituja kenttiä (joskus puhutaan virtuaalipartikkeleista ). Tyhjiö on yksinkertaisin, vähäenergiaisin mahdollinen tila. Minkä tahansa kvantisoidun kentän energiatasot riippuvat Hamiltonista , joka puolestaan ​​yleensä riippuu koordinaateista, momenteista ja ajasta . Siksi Hamiltonin ja siten tyhjiön käsite riippuu viitekehyksestä. Minkowskin avaruudessa tyhjiö on suuresta symmetriasta johtuen sama tila kaikille inertiavertailukehyksille . Mutta tämä lakkaa olemasta totta jo Minkowskin avaruuden ei-inertiaalisille järjestelmille ja vielä enemmän yleisen suhteellisuusteorian lähes mielivaltaisesti kaareville avarille.

Kuten tiedetään, hiukkasten lukumäärä on operaattorin ominaisarvo, joka riippuu luomis- ja annihilointioperaattoreista. Ennen kuin määrittelemme luomis- ja tuhoamisoperaattorit, meidän on hajotettava vapaa kenttä positiivisiin ja negatiivisiin taajuuskomponentteihin. Ja tämä voidaan tehdä vain tiloissa, joissa on aikakaltainen Killing-vektori (ainakin asymptoottisesti). Laajentuminen tulee olemaan erilainen Galilean ja Rindlerin koordinaateissa huolimatta siitä, että luomis- ja tuhooperaattorit niissä liittyvät Bogolyubovin muunnokseen . Siksi hiukkasten lukumäärä riippuu viitekehyksestä.

Unruh-ilmiö ja yleinen suhteellisuusteoria

Unruh-ilmiö mahdollistaa karkean selityksen Hawkingin säteilylle , mutta sitä ei voida pitää sen täydellisenä analogina [4] . Tasaisesti kiihtyvällä liikkeellä syntyy myös tapahtumahorisontti kiihtyvän kappaleen taakse , mutta tehtävien reunaehtojen ero antaa näihin vaikutuksiin erilaisia ​​ratkaisuja. Erityisesti rajoitettujen polun integraalien laskemiseen perustuva lähestymistapa antaa Unruh-ilmiöstä seuraavan kuvan: kiihdytetyn havainnoijan "lämpöilmakehä" koostuu virtuaalipartikkeleista, mutta jos tällainen virtuaalihiukkanen absorboituu kiihdytettyyn havaintoon, niin vastaava antihiukkas muuttuu todelliseksi ja on inertiahavainnon havaittavissa [4] . Tässä tapauksessa kiihtynyt tarkkailija menettää osan energiastaan. Gravitaation romahtamisen seurauksena syntyneen mustan aukon Hawking-ilmiön tapauksessa kuva on toinen: vaikutuksen seurauksena ilmaantuvat "termisen ilmakehän" hiukkaset ovat todellisia. Nämä äärettömyyteen menevät hiukkaset voivat havainnoida ja absorboida kaukainen tarkkailija, mutta absorptiosta huolimatta nämä hiukkaset kuljettavat pois mustan aukon massan (energian) [4] .

Numeerinen arvo

Havaitun Unruh-säteilyn lämpötila ilmaistaan ​​samalla kaavalla kuin Hawkingin säteilyn lämpötila , mutta se ei riipu pintapainovoimasta, vaan vertailukehyksen a kiihtyvyydestä .

Siten tyhjiön lämpötila standardin maanpäällisen vapaan pudotuksen kiihtyvyydellä 9,81 m/s² liikkuvan hiukkasen vertailukehyksessä on 4 × 10 −20 K. Unruh-ilmiön kokeellista todentamista varten suunnitellaan saavuttavan 10 26 m/s² hiukkaskiihtyvyyttä , joka vastaa noin 400 000 K lämpötiloja. On ehdotuksia, kuinka Berry-vaihetta käyttämällä vaikutusta voidaan kokeellisesti testata paljon pienemmillä kiihtyvyyksillä, jopa 10 17 m/s² [5] .

Rengaselektronikiihdyttimien avulla voidaan kokeellisesti jäljittää elektronien kiihtyvyyden vaikutusta niiden liikkeeseen kiihtyvyyteen nähden kohtisuorassa suunnassa ja näin kokeellisesti havaita Unruh-ilmiö [6] [7] .

Unruh-ilmiö sisältää myös muutoksen kiihtyneiden hiukkasten hajoamisnopeudessa suhteessa inertialla liikkuviin hiukkasiin [6] [7] . Jotkut stabiilit hiukkaset (kuten protoni ) saavat rajallisen hajoamisajan [8] . Erityisesti protoni voi hajota kanavaa p → n + e + + ν e pitkin , mikä on lepäävän tai tasaisesti liikkuvan protonin energian säilymislain mukaan kielletty [9] [10] . Maapallolla saavutettavissa olevilla kiihtyvyyksillä tämä vaikutus on erittäin heikko ( LHC :n protonille, jonka kiihtyvyys on 10 21 m/s 2 elinaikavuotta [9] ), mutta tietyissä astrofysikaalisissa olosuhteissa tätä aikaa voidaan lyhentää merkittävästi . Esimerkiksi B  = 10 14 Gs pulsarin magneettikenttään pudonneen protonin, jonka energia on 1,6×10 5 GeV , kiihtyvyys on 5×10 31 m/s 2 ja "laboratorion" elinikä lyhenee. ~0,1 sekuntiin [9] .

Vuonna 2020 tehtiin ehdotus vaikutuksen testaamiseksi kokeellisesti [11] Bose–Einstein- kondensaatissa .

Muistiinpanot

  1. ↑ Luís CB Crispino, Atsushi Higuchi ja George EA Matsas. Unruh-efekti ja sen sovellukset // Rev. Mod. Phys.. - 2008. - Voi. 80. - P. 787. - arXiv : 0710.5373 . - doi : 10.1103/RevModPhys.80.787 .
  2. ↑ Igor Peña, Daniel Sudarsky. Unruh-vaikutuksen mittaamisen mahdollisuudesta // Fysiikan perusteet. - 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. Onko olemassa Unruh-efektiä? . JETP Letters, Volume 65, Issue 12, s. 861-866 . ZhETF (25. kesäkuuta 1997).
  4. ↑ 1 2 3 M. B. Mensky. Relativistiset kvantimittaukset, Unruh-ilmiö ja mustat aukot  // Teoreettinen ja matemaattinen fysiikka . - 1998. - T. 115 , nro 2 . - S. 215-232 .
  5. ↑ Eduardo Martín-Martinez, Ivette Fuentes ja Robert B. Mann. Berryn vaiheen käyttäminen Unruh-ilmiön havaitsemiseen pienemmillä kiihtyvyyksillä   // Phys . Rev. Lett.. - 2011. - Vol. 107.- Iss. 13 . — P. 131301 [5 sivua]. - doi : 10.1103/PhysRevLett.107.131301 . - arXiv : 1012.2208 . .
  6. ↑ 1 2 Ginzburg VL , Frolov VP Tyhjiö tasaisessa gravitaatiokentässä ja tasaisesti kiihdytetyn ilmaisimen viritys // Einsteinin kokoelma 1986-1990. - M., Nauka, 1990. - Levikki 2600 kpl. - c. 190-278
  7. ↑ 1 2 Ginzburg V. L. , Frolov V. P. Tyhjiö tasaisessa gravitaatiokentässä ja tasaisesti kiihdytetyn ilmaisimen heräte // UFN , 1987, v. 153, s. 633-674
  8. ↑ R. Mueller. Kiihdytettyjen hiukkasten   hajoaminen // Phys . Rev. D. - 1997. - Voi. 56. - P. 953-960. - doi : 10.1103/PhysRevD.56.953 . - arXiv : hep-th/9706016 . .
  9. ↑ 1 2 3 Vanzella DAT, Matsas GEA Kiihdytettyjen protonien hajoaminen ja Fulling-Davies-Unruh-ilmiön olemassaolo   // Phys . Rev. Lett.. - 2001. - Voi. 87. - P. 151301. - doi : 10.1103/PhysRevLett.87.151301 . - arXiv : gr-qc/0104030 .
  10. ↑ Suzuki H., Yamada K. Nopeutetun protonin vaimenemisnopeuden analyyttinen arviointi   // Phys . Rev. D. - 2003. - Voi. 67. - P. 065002. - doi : 10.1103/PhysRevD.67.065002 . - arXiv : gr-qc/0211056 .
  11. ↑ Bosen kondenssivesi voi auttaa testaamaan Unruh - vaikutusta . Nplus1.ru (30. marraskuuta 2020). Käyttöönottopäivä: 30.11.2020.