一种几乎不可能被观测到的物理效应,有了新希望

科技 3个月前 社科兔
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一种几乎不可能被观测到的物理效应,有了新希望

  来源:原理

  安鲁效应  

  在《星球大战》里,一个经典画面是当“千年隼”号跳入超空间时,从驾驶舱里能够看到疾驰的星星。不过,假如我们真的能在瞬间加速穿越太空的真空,看到的景象果真如此吗?根据安鲁效应的预测,飞行员更有可能看到的是温暖的辉光。

  安鲁效应也被称为傅苓-戴维斯-安鲁效应(Fulling-Davies-Unruh effect),以最初提出这一效应的三位物理学家史蒂芬·傅苓(Stephen Fulling)、保罗·戴维斯(Paul Davies)以及威廉·安鲁(W。 G。 Unruh)命名,它与加速物体和真空中的量子涨落之间的量子相互作用有关。

  自上个世纪70年代被提出以来,物理学家一直无法探测到该效应,其主要原因就在于观测到这种效应的概率实在太小了。为什么探测安鲁效应这么难?

  一个物体(比如原子)要产生温度高得足以被探测到的辉光,那么它必须在不到百万分之一秒的时间内加速到光速。这样的加速度相当于10¹⁵m/s²的G力(G为一个地球表面的重力加速度),相比而言,战斗机飞行员通常所经受的G力为10m/s²。

  这意味着若想要在短时间内观察到这种效应,就必须拥有高到难以置信的加速。倘若加速度的大小只在合理范围内,那么则需要等上非常长的、甚至比宇宙的年龄还要长的时间才有可能测得。

  一个紧密的联系  

  探测这样一个听起来几乎天方夜谭的效应有什么意义呢?首先,安鲁效应的观测将是对物质和光之间的基本量子相互作用的验证。另外,对这一效应的探测还对所谓的“霍金效应”产生重要意义。

  根据霍金效应的预测,在极端引力场(比如黑洞周围)中,光和物质的相互作用会产生类似的热辉光,即所谓的“霍金辐射”。霍金效应和安鲁效应之间存在密切的联系,它们是完全互补的效应。如果能观测到安鲁效应,那么就等同于这两种效应背后的机制都被观测到了。

  现在,麻省理工学院与滑铁卢大学的物理学家在《物理评论快报》上新发表了一项研究,表明他们可能已经找到了一种能够显著提高观测到安鲁效应的可行性的方法。

  一个透明的轨迹  

  物理学家预测安鲁效应会在真空中自发地发生。根据量子场论,真空并不空,而是一个充满了量子涨落的场。安鲁预测,在真空中加速的物体会以一种能产生温暖的热辉光的方式放大这些涨落。

  为了增强探测到安鲁效应的可能性,研究人员摒弃了观测这种效应自发发生的想法,提出可以采用所谓的“刺激法”。这种“刺激”是通过在整个场景中加入光来实现的。研究人员解释,当向场中加入光子时,所加入的涨落是真空中原有的n倍。这时,当一个物体加速通过这个新的场,那么预期所能看到的安鲁效应也就理应是在真空中所看到的n倍。

  然而,当加入额外的光子时,除了安鲁效应被放大,真空中的其他效应也会被放大。这一重大的缺点劝退了其他想要采用刺激法来捕获安鲁效应的人。

  为了解决这个问题,新研究提出了一种可以在增强安鲁效应的同时抑制其他效应的方法。研究人员提出了“加速诱导透明”概念,从理论上证明了如果一个物体(比如原子)能够以某个非常特定的轨迹通过光子场而加速,那么这个物体会以一种特殊的方式与光子场相互作用,这种特定频率的光子对原子来说基本上是不可见的。

  如果这种新的刺激法能在实际的实验中实现,那么添加上的这层“不可见性”,或如论文中所描述的“加速诱导透明”,或将大大增加观测安鲁效应的可能性。它就好比是为其他效应披上了一件隐形斗篷,帮助更好地突出了难以捉摸的安鲁效应。如此一来,原本按照预测需要等上比宇宙年龄还要长的时间才能使加速粒子产生温暖的辉光,只需经过几个小时的等待就能观测到。

  实验设计  

  现在,研究人员已经对如何基于这一理论假设设计出切实的实验有了一些想法。他们计划建造一个实验室大小的,能够将电子加速到接近光速的粒子加速器,然后用微波波长的激光束刺激电子。目前,他们正在想办法设计出能抑制经典效应同时放大安鲁效应的电子路径。

  这种机制至少让他们知道,安鲁效应是有可能在人类的有生之年看到的。虽然设计出切实的实验将会是项非常艰难的任务,目前甚至尚无法保证能否真正实现,但这已经是40多年来最接近观测到的安鲁效应的想法。可以说,新研究已经在理论上解决了观测安鲁效应的最大瓶颈。

  #创作团队:

  撰文:小雨

  排版:雯雯

  #参考来源:

  https://news.mit.edu/2022/physicists-quantum-glow-0426

  https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.163603

  #图片来源:

  封面图 & 首图:Christine Daniloff / MIT

版权声明:社科兔 发表于 2022年5月2日 下午2:05。
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