一種幾乎不可能被觀測到的物理效應,有了新希望

2022年04月30日10:30

  來源:原理

  安魯效應

  在《星球大戰》里,一個經典畫面是當“千年隼”號跳入超空間時,從駕駛艙里能夠看到疾馳的星星。不過,假如我們真的能在瞬間加速穿越太空的真空,看到的景象果真如此嗎?根據安魯效應的預測,飛行員更有可能看到的是溫暖的輝光。

  安魯效應也被稱為傅苓-戴維斯-安魯效應(Fulling-Davies-Unruh effect),以最初提出這一效應的三位物理學家史蒂芬·傅苓(Stephen Fulling)、保羅·戴維斯(Paul Davies)以及威廉·安魯(W。 G。 Unruh)命名,它與加速物體和真空中的量子漲落之間的量子相互作用有關。

  自上個世紀70年代被提出以來,物理學家一直無法探測到該效應,其主要原因就在於觀測到這種效應的概率實在太小了。為什麼探測安魯效應這麼難?

  一個物體(比如原子)要產生溫度高得足以被探測到的輝光,那麼它必須在不到百萬分之一秒的時間內加速到光速。這樣的加速度相當於10¹⁵m/s²的G力(G為一個地球表面的重力加速度),相比而言,戰鬥機飛行員通常所經受的G力為10m/s²。

  這意味著若想要在短時間內觀察到這種效應,就必須擁有高到難以置信的加速。倘若加速度的大小隻在合理範圍內,那麼則需要等上非常長的、甚至比宇宙的年齡還要長的時間才有可能測得。

  一個緊密的聯繫

  探測這樣一個聽起來幾乎天方夜譚的效應有什麼意義呢?首先,安魯效應的觀測將是對物質和光之間的基本量子相互作用的驗證。另外,對這一效應的探測還對所謂的“霍金效應”產生重要意義。

  根據霍金效應的預測,在極端引力場(比如黑洞周圍)中,光和物質的相互作用會產生類似的熱輝光,即所謂的“霍金輻射”。霍金效應和安魯效應之間存在密切的聯繫,它們是完全互補的效應。如果能觀測到安魯效應,那麼就等同於這兩種效應背後的機制都被觀測到了。

  現在,麻省理工學院與滑鐵盧大學的物理學家在《物理評論快報》上新發表了一項研究,表明他們可能已經找到了一種能夠顯著提高觀測到安魯效應的可行性的方法。

  一個透明的軌跡

  物理學家預測安魯效應會在真空中自發地發生。根據量子場論,真空並不空,而是一個充滿了量子漲落的場。安魯預測,在真空中加速的物體會以一種能產生溫暖的熱輝光的方式放大這些漲落。

  為了增強探測到安魯效應的可能性,研究人員摒棄了觀測這種效應自發發生的想法,提出可以採用所謂的“刺激法”。這種“刺激”是通過在整個場景中加入光來實現的。研究人員解釋,當向場中加入光子時,所加入的漲落是真空中原有的n倍。這時,當一個物體加速通過這個新的場,那麼預期所能看到的安魯效應也就理應是在真空中所看到的n倍。

  然而,當加入額外的光子時,除了安魯效應被放大,真空中的其他效應也會被放大。這一重大的缺點勸退了其他想要採用刺激法來捕獲安魯效應的人。

  為瞭解決這個問題,新研究提出了一種可以在增強安魯效應的同時抑製其他效應的方法。研究人員提出了“加速誘導透明”概念,從理論上證明了如果一個物體(比如原子)能夠以某個非常特定的軌跡通過光子場而加速,那麼這個物體會以一種特殊的方式與光子場相互作用,這種特定頻率的光子對原子來說基本上是不可見的。

  如果這種新的刺激法能在實際的實驗中實現,那麼添加上的這層“不可見性”,或如論文中所描述的“加速誘導透明”,或將大大增加觀測安魯效應的可能性。它就好比是為其他效應披上了一件隱形鬥篷,幫助更好地突出了難以捉摸的安魯效應。如此一來,原本按照預測需要等上比宇宙年齡還要長的時間才能使加速粒子產生溫暖的輝光,只需經過幾個小時的等待就能觀測到。

  實驗設計

  現在,研究人員已經對如何基於這一理論假設設計出切實的實驗有了一些想法。他們計劃建造一個實驗室大小的,能夠將電子加速到接近光速的粒子加速器,然後用微波波長的激光束刺激電子。目前,他們正在想辦法設計出能抑製經典效應同時放大安魯效應的電子路徑。

  這種機制至少讓他們知道,安魯效應是有可能在人類的有生之年看到的。雖然設計出切實的實驗將會是項非常艱難的任務,目前甚至尚無法保證能否真正實現,但這已經是40多年來最接近觀測到的安魯效應的想法。可以說,新研究已經在理論上解決了觀測安魯效應的最大瓶頸。

  #創作團隊:

  撰文:小雨

  排版:雯雯

  #參考來源:

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

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

  #圖片來源:

  封面圖 & 首圖:Christine Daniloff / MIT

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