物理学者は、とらえどころのない量子の輝きを見るための近道を見つけます

理論物理学は、ワームホール、量子泡、マルチバースなど、奇妙で素晴らしい概念でいっぱいです。 問題は、そのようなものは理論家の方程式から簡単に浮かび上がるが、実験室の設定で作成してテストすることは事実上不可能であるということです。 しかし、そのような「テスト不可能な」理論の1つとして、実験的なセットアップが間近に迫っている可能性があります。

マサチューセッツ工科大学とオンタリオ州のウォータールー大学の研究者は、 ウンルー効果をテストする、空の空間を移動するオブジェクトから発生すると予測される奇妙な現象。 科学者がその効果を観察することができれば、この偉業はブラックホールの物理学についての長年の仮定を確認することができます。 彼らの提案は 物理的レビューレター 4月21日。

ウンルー効果を直接観察できれば、ハイパースペースにジャンプするように見えるかもしれません。 ミレニアムファルコン—それ以外の場合は黒いボイドのビューを浴びる突然の光のラッシュ。 物体が真空中で加速すると、光る粒子の暖かいマントに包まれます。 加速が速いほど、輝きは暖かくなります。 研究の共著者の1人であるMITの量子物理学者VivishekSudhirは、真空は定義上空であると想定されているため、「それは非常に奇妙です」と説明しています。 「ご存知のとおり、これはどこから来たのですか？」

それがどこから来たのかは、いわゆる空の空間が完全に空ではなく、エネルギーの量子場が重なっていることで満たされているという事実と関係があります。 これらのフィールドの変動は、光子、電子、およびその他の粒子を発生させる可能性があり、加速する物体によって火花を散らす可能性があります。 本質的に、フィールドに浸された真空を高速で通過するオブジェクトは、フィールドのエネルギーの一部を取得し、その後、Unruh放射として再放出されます。

この効果の名前は、1976年に彼の名を冠した現象を説明した理論物理学者のビルウンルーに由来しています。しかし、数学者のスティーブンフラーリングと物理学者のポールデイビスの2人の研究者は、ウンルーから3年以内（それぞれ1973年と1975年）に独立して式を作成しました。 ）。

「私はそれを鮮明に覚えています」と、現在アリゾナ州立大学の摂政教授であるデイビスは言います。 「私は机もオフィスもなかったので、妻の化粧台に座って計算をしました。」

1年後、デイビスはウンルーが彼の最近の進歩について講演している会議でウンルーに会いました。 デイビスは、ウンルーが自分の化粧台の計算から明らかになったものと非常によく似た現象を説明しているのを聞いて驚いた。 「それで、私たちはその後バーに集まりました」とデイビスは回想します。 二人はすぐに数年間続いたコラボレーションを開始しました。

Davies、Fulling、Unruhはすべて、純粋に理論的な観点から彼らの仕事に取り組みました。 彼らは、誰もがそれを中心に実際の実験を設計することを期待していませんでした。 しかし、技術が進歩するにつれて、重力波やヒッグス粒子など、かつて理論の世界に委ねられていたアイデアが実際に観測できるようになる可能性があります。 そして、ウンルー効果を観察することは、別の遠い物理学の概念を固めるのに役立つ可能性があることがわかりました。

「人々がウンルー効果に取り組んでいる理由は、加速された観測者が非常に重要であると考えているからではありません」と、研究に関与しなかったミシガン州立大学の物理学、天文学、分子生物学の教授であるクリストフ・アダミは言います。 「彼らはブラックホール物理学への直接のつながりのためにこれに取り組んでいます。」

本質的に、ウンルー効果は、はるかに有名な物理現象の裏返しです。ホーキング放射は、物理学者のスティーブンホーキングにちなんで名付けられました。ホーキング放射は、ブラックホールがゆっくりと蒸発するときに、ほとんど知覚できない光のハローがブラックホールから漏れるはずだと理論付けました。

ホーキング放射の場合、その暖かいファジー効果は、本質的に、重力によって粒子がブラックホールに引き込まれた結果です。 しかし、ウンルー効果の場合、それは加速の問題です。つまり、アインシュタインの等価原理によれば、重力は数学的に等しいです。

あなたがエレベーターの中に立っていると想像してください。 衝撃で車が次の階に駆け上がり、一瞬、自分が床に向かって引っ張られているのを感じます。 あなたの観点からすると、「それは、地球の重力が突然上昇することと本質的に区別がつかない」とSudhirは言う。

数学の観点からも同じことが言えると彼は言います。 「それはそれと同じくらい簡単です。重力と加速度の間には同等性があります」とSudhirは付け加えます。

その理論的な卓越性にもかかわらず、科学者はまだウンルー効果を観察していません。 （さらに言えば、ホーキング放射も見られませんでした。）これは、ウンルー効果を実験的にテストするのが非常に難しいと長い間考えられてきたためです。 ほとんどの場合、研究者はオブジェクトを25以上のばかげた加速にさらす必要があります。 千穣 測定可能な放出を生成するために、地球の重力の力の倍。 あるいは、よりアクセスしやすい加速度を使用することもできますが、その場合、検出可能な効果を生成する可能性は非常に低いため、そのような実験は数十億年にわたって継続的に実行する必要があります。 しかし、Sudhirと彼の共著者は、抜け穴を見つけたと信じています。

研究者たちは、磁場のある真空中で単一の電子をつかみ、注意深く構成された光子浴を通して加速することにより、粒子を「刺激」して、人工的に高エネルギー状態に上げることができることに気づきました。 この追加されたエネルギーは、加速の効果を倍増させます。つまり、電子自体をセンサーとして使用することで、研究者は、それほど多くのG力を加えることなく（または何十年も待つことなく）、粒子を取り巻くUnruh放射線を拾い上げることができます。

残念ながら、エネルギーを高めるフォトンバスは、真空中の他の量子場効果を増幅することにより、バックグラウンドの「ノイズ」も追加します。 「それはまさに私たちが起こりたくないことです」とSudhirは言います。 しかし、電子の軌道を注意深く制御することにより、実験者はこの潜在的な干渉を無効にすることができるはずです。これは、Sudhirが粒子の上に不可視のマントを投げるようなプロセスです。

また、CERNの大型ハドロン衝突型加速器の巨大な超伝導磁石や広大なビームラインなど、他のほとんどの最先端の素粒子物理学実験に必要なキットとは異なり、研究者たちは、Unruh効果シミュレーションをほとんどの大学の研究室で設定できると述べています。 「それは大きな実験である必要はありません」と、ウォータールー大学の物理学者である紙の共著者であるバーバラ・ショダは言います。 実際、Sudhirと彼の博士号は学生は現在、実際に作成する予定のバージョンを設計しており、今後数年間で実行することを望んでいます。

アダミは、新しい研究を、古典物理学、原子物理学、場の量子論など、いくつかの異なる分野のエレガントな統合と見なしています。 「この論文は正しいと思います」と彼は言います。 しかし、ウンルー効果自体と同じように、「ある程度、この計算が以前に行われたことは明らかです」。

デイビスにとって、効果をテストする可能性は、理論物理学と応用物理学の両方に刺激的な新しい扉を開く可能性があり、実験家が自然を調べるために使用できるツールキットを拡張しながら、理論家によって予測されたほとんど観察できない現象をさらに検証します。 「それをそのような成功した分野にする物理学についてのことは、実験と理論が非常に密接に関連しているということです」と彼は言います。 「2つはロックステップにあります。」 ウンルー効果をテストすることは、両方にとって最高の成果となることを約束します。