Иллюстрация: Cisco Gooding et al. / Physical Review Letters. Недавно физики осуществили экспериментальное получение кольцеобразной структуры из вещества в сверхтекучем состоянии. Полученная структура способна вращаться более минуты со скоростью, превосходящей скорость звука в 18 раз. Подобный результат может способствовать реализации гигантского квантового вихря в аналогичных системах, как отмечается авторами в журнале Physical Review Letters. При охлаждении некоторых веществ до температур, близких к абсолютному нулю, они могут переходить в квантовое состояние с уникальными свойствами. Например, гелий в таких условиях становится сверхтекучим, демонстрируя поведение жидкости с нулевой вязкостью. Также многие вещества, в первую очередь разреженные атомные газы, превращаются в конденсаты Бозе — Эйнштейна, где частицы проявляют скоординированное поведение и описываются единой волновой функцией.

Упрощенный вариант экспериментальной установки для проверки эффекта Унру. Cisco Gooding et al. / Physical Review Letters

Важной характеристикой сверхтекучих веществ является образование квантовых вихрей – локальных вращательных движений, существующих при определенных значениях момента импульса.

Успехи в моделировании таких сложных релятивистских эффектов квантовой теории поля демонстрируют квантовые симуляторы. Они позволили впервые наблюдать такие фундаментальные явления как излучение Хокинга от аналога черной дыры или динамический эффект Казимира.

Теперь ученые из университета Ноттингема под руководством Силке Вайнфуртнер (Silke Weinfurtner) предложили использовать квантовый симулятор для проверки эффекта Унру. Они взяли за основу конденсат Бозе — Эйнштейна, на который направляли лазерные пучки в разных режимах.

Идея эксперимента заключается в том, что бозе-конденсат при нулевой температуре представляет собой вакуум для квазичастиц-фононов, поэтому их поведение при рассмотрении равноускоренных систем отсчета может быть связано с эффектом Унру. Авторы предлагают пропускать через охлажденное облако конденсата лазерный пучок и следить за возникающими в нем возмущениями. Важно, что детектировать такие слабые возмущения возможно, только если исключить или значительно сократить влияние самого лазерного пучка на бозе-конденсат. Для этого ученые предлагают использовать сразу два пучка с частотами, отстроенными от резонанса атомов конденсата в разных направлениях. Кроме выигрыша в чувствительности, два луча с разными частотами, которые двигаются по одному и тому же оптическому пути образуют интерферометр и любые флуктуации вакуума (бозе-конденсата) можно будет задетектировать. К ним будет чувствителен фазовый сдвиг двух этих пучков.

При прямолинейном пропускании пучков через облако бозе-конденсата ученые не предсказывают возникновения флуктуаций вакуума. Для их возбуждения они планируют вращать лучи равноускоренно по окружности внутри конденсата и следить за их разностью фаз с помощью фотодетекторов.

Физики показали, что теоретическое описание их эксперимента соответствует модели, которая лежит в основе эффекта Унру, поэтому сейчас они работают над улучшением технических характеристик схемы и в будущем планируют реализовать эксперимент на ее основе. Тем не менее в текущем виде схему можно использовать для экспериментов с другими квантовыми системами (например, сверхтекучим гелием).

Пока авторы ломали голову над тем, как реализовать эксперимент по проверке эффекта Унру, физики-теоретики из Польши, США и Канады показали, что массивные частицы эффекта Унру не получится увидеть напрямую.

Эффект Унру: как ускорение рождает тепло из вакуума

Представьте, что вы – космический путешественник, мчащийся сквозь безбрежные просторы Вселенной. Вокруг вас – лишь абсолютная пустота и холод межзвездного пространства. Но вдруг вы замечаете странную вещь: чем быстрее вы ускоряетесь, тем сильнее нагревается ваш корабль. Словно сама пустота начинает излучать тепло!

Этот парадоксальный эффект был предсказан в 1976 году канадским физиком Уильямом Унру. Согласно его расчетам, любой ускоренно движущийся наблюдатель будет регистрировать тепловое излучение, исходящее из вакуума – даже если для неподвижного наблюдателя никакого излучения нет.

Представьте два космических корабля, “висящих” в пустоте космоса. Один неподвижен, другой включает двигатели и начинает ускоряться. Для неподвижного астронавта вокруг по-прежнему царит примерно абсолютный нуль – минус 273 градуса по Цельсию. Но ускоряющийся астронавт вдруг почувствует, что его обдает теплом, словно из окружающего вакуума!

В чем же дело?

Неужели пустота может нагреваться от трения? Или здесь кроется какая-то более фундаментальная причина? Оказывается, все дело в квантовой природе вакуума. Согласно квантовой теории поля, даже в самом глубоком космосе, где, казалось бы, нет ничего, на самом деле кипит бурная деятельность. Виртуальные частицы и античастицы постоянно рождаются и исчезают, образуя своего рода “квантовую пену”.

Для неподвижного наблюдателя эта “пена” выглядит однородной и нейтральной. Но стоит ему ускориться – и картина меняется. Виртуальные частицы словно “трутся” о наблюдателя, передавая ему свою энергию в виде тепла. Чем сильнее ускорение – тем выше температура этого “трения”.

Эффект Унру удивителен не только своей неожиданностью, но и глубокой связью с другими фундаментальными идеями физики. Например, он тесно переплетается с понятием горизонта событий в общей теории относительности. Оказывается, для ускоренного наблюдателя горизонт событий – это не просто абстрактная математическая поверхность, но вполне реальная граница, излучающая тепло!

Более того, эффект Унру может пролить свет на природу самой гравитации. Некоторые теории предполагают, что гравитация – это не фундаментальная сила, а своего рода эмерджентное* свойство, возникающее из квантовых флуктуаций вакуума. И ускоренное движение – ключ к пониманию этого свойства.

*Эмерджентность — появление у системы свойств, не присущих ее элементам в отдельности.

Конечно, на практике эффект Унру чрезвычайно слаб и трудно наблюдаем. Чтобы почувствовать заметный нагрев, нужно разогнаться до скоростей, сравнимых со скоростью света – а это пока недостижимо для наших технологий. Но сам факт существования этого эффекта – уже настоящая революция в понимании природы пространства, времени и материи.

Автор: Оксана Борзенкова
Источник: https://nplus1.ru/