นักฟิสิกส์เริ่มดำเนินการตามล่าเพื่อควอนตัมเรืองแสงที่แสวงหามานาน

นักฟิสิกส์เริ่มดำเนินการตามล่าเพื่อควอนตัมเรืองแสงที่แสวงหามานาน

ตามการคาดการณ์ที่เรียกว่า Unruh effect นักบินของ Millenium Falcon จะเห็นแสงอันอบอุ่นเมื่อพวกเขากระโดดไปยังไฮเปอร์สเปซ เครดิต: Christine Daniloff, MIT

สำหรับแฟน ๆ ของ “Star Wars” ดาวที่พุ่งพรวดซึ่งมองเห็นได้จากห้องนักบินของ Millennium Falcon ขณะที่มันกระโดดไปยังไฮเปอร์สเปซนั้นเป็นภาพที่เป็นที่ยอมรับ แต่นักบินจะเห็นอะไรจริง ๆ ว่าเธอสามารถเร่งความเร็วในทันทีผ่านสุญญากาศของอวกาศได้หรือไม่ ตามคำทำนายที่เรียกว่าเอฟเฟกต์ Unruh เธอน่าจะเห็นแสงอันอบอุ่นมากกว่า

นับตั้งแต่ปี 1970 เมื่อมีการเสนอครั้งแรก เอฟเฟกต์ Unruh ได้หลบเลี่ยงการตรวจจับ สาเหตุหลักมาจากความน่าจะเป็นที่จะเห็นผลนั้นน้อยมาก ซึ่งต้องใช้ความเร่งมหาศาลหรือเวลาในการสังเกตปริมาณมหาศาล แต่นักวิจัยจาก MIT และ University of Waterloo เชื่อว่าพวกเขาได้พบวิธีที่จะเพิ่มความน่าจะเป็นในการสังเกตผลกระทบของ Unruh อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งพวกเขาให้รายละเอียดในการศึกษาที่ปรากฏใน จดหมายทบทวนทางกายภาพ.

แทนที่จะสังเกตผลกระทบที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติอย่างที่คนอื่นเคยลองทำมาในอดีต ทีมงานเสนอให้กระตุ้นปรากฏการณ์นี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในลักษณะที่ช่วยเพิ่มเอฟเฟกต์ Unruh ในขณะที่ระงับผลกระทบอื่นๆ ที่แข่งขันกัน นักวิจัยเปรียบความคิดของพวกเขากับการสวมผ้าคลุมล่องหนเหนือปรากฏการณ์ทั่วไปอื่น ๆ ซึ่งควรเปิดเผยเอฟเฟกต์ Unruh ที่ชัดเจนน้อยกว่ามาก

หากสามารถทำได้ในการทดลองจริง วิธีการกระตุ้นแบบใหม่นี้ โดยเพิ่มชั้นของการมองไม่เห็น (หรือ “ความโปร่งใสที่เกิดจากการเร่งความเร็ว” ตามที่อธิบายไว้ในเอกสารนี้) อาจเพิ่มความน่าจะเป็นอย่างมากที่จะสังเกตเห็นผลกระทบ Unruh แทนที่จะรอนานกว่าอายุของจักรวาลสำหรับอนุภาคที่เร่งความเร็วเพื่อสร้างแสงอันอบอุ่นตามที่ Unruh คาดการณ์ไว้ วิธีการของทีมจะลดเวลารอนั้นลงเหลือไม่กี่ชั่วโมง

Vivishek Sudhir ผู้เขียนร่วมการศึกษา ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลของ MIT กล่าวว่า “อย่างน้อยตอนนี้เรารู้แล้วว่ามีโอกาสในช่วงชีวิตของเราที่เราอาจเห็นผลนี้” ทฤษฎีของกลุ่ม “เป็นการทดลองที่ยาก และไม่มีการรับประกันว่าเราจะทำได้ แต่แนวคิดนี้เป็นความหวังที่ใกล้ที่สุดของเรา”

ผู้ร่วมวิจัยยังรวมถึง Barbara Šoda และ Achim Kempf จาก University of Waterloo

ปิดการเชื่อมต่อ

เอฟเฟกต์ Unruh เรียกอีกอย่างว่าเอฟเฟกต์ Fulling-Davies-Unruh หลังจากที่นักฟิสิกส์สามคนเสนอในตอนแรก การคาดการณ์ระบุว่าร่างกายที่เร่งความเร็วผ่านสุญญากาศควรรู้สึกถึงการแผ่รังสีอุ่นอันเนื่องมาจากการเร่งความเร็วของร่างกาย ผลกระทบนี้เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาควอนตัมระหว่างสสารเร่งและความผันผวนของควอนตัมภายในสุญญากาศของพื้นที่ว่าง

ในการสร้างแสงที่อุ่นเพียงพอสำหรับเครื่องตรวจจับ ร่างกายเช่นอะตอมจะต้องเร่งความเร็วของแสงในเวลาน้อยกว่าหนึ่งในล้านของวินาที ความเร่งดังกล่าวจะเทียบเท่ากับแรง g ของสี่ล้านล้านเมตรต่อวินาทียกกำลังสอง (โดยปกตินักบินรบจะพบกับแรง g ที่ 10 เมตรต่อวินาทียกกำลังสอง)

“หากต้องการเห็นผลนี้ในระยะเวลาอันสั้น คุณจะต้องมีอัตราเร่งที่เหลือเชื่อ” Sudhir กล่าว “หากคุณมีอัตราเร่งที่สมเหตุสมผลแทน คุณจะต้องรอเป็นระยะเวลามหาศาล—นานกว่าอายุของจักรวาล—เพื่อดูผลที่วัดได้”

แล้วจะมีประเด็นอะไร? ประการหนึ่ง เขากล่าวว่าการสังเกตผลกระทบ Unruh จะเป็นการตรวจสอบปฏิกิริยาควอนตัมพื้นฐานระหว่างสสารและแสง อีกประการหนึ่ง การตรวจจับสามารถแสดงภาพสะท้อนของเอฟเฟกต์ Hawking ซึ่งเป็นข้อเสนอของนักฟิสิกส์ Stephen Hawking ที่ทำนายการเรืองแสงจากความร้อนที่คล้ายคลึงกัน หรือ “รังสีฮอว์คิง” จากปฏิกิริยาของแสงและสสารในสนามโน้มถ่วงที่รุนแรง เช่น รอบ หลุมดำ.

Sudhir กล่าวว่า “มีความเกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิดระหว่างผลกระทบของ Hawking และ Unruh ซึ่งเป็นผลเสริมซึ่งกันและกัน” Sudhir กล่าวเสริมว่าหากสังเกตผลของ Unruh “เราจะสังเกตเห็นกลไกที่ ร่วมกับเอฟเฟกต์ทั้งสอง”

เส้นทางที่โปร่งใส

คาดว่าเอฟเฟกต์ Unruh จะเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติในสุญญากาศ ตามทฤษฎีสนามควอนตัม สุญญากาศไม่ได้เป็นเพียงพื้นที่ว่าง แต่เป็นสนามแห่งความผันผวนของควอนตัมที่ไม่อยู่นิ่ง โดยแต่ละแถบความถี่จะมีขนาดประมาณครึ่งโฟตอน Unruh ทำนายว่าร่างกายที่เร่งความเร็วผ่านสุญญากาศควรเพิ่มความผันผวนเหล่านี้ในลักษณะที่สร้างอนุภาคความร้อนและความร้อน

ในการศึกษาของพวกเขา นักวิจัยได้แนะนำแนวทางใหม่เพื่อเพิ่มความน่าจะเป็นของผลกระทบ Unruh โดยการเพิ่มความสว่างให้กับสถานการณ์ทั้งหมด ซึ่งเป็นแนวทางที่เรียกว่าการกระตุ้น

“เมื่อคุณเพิ่มโฟตอนลงในสนาม คุณกำลังเพิ่มความผันผวนมากกว่า ‘n’ เท่าของโฟตอนที่อยู่ในสุญญากาศ” Sudhir อธิบาย “ดังนั้น หากคุณเร่งความเร็วผ่านสภาพใหม่ของสนาม คุณจะเห็นผลกระทบที่ขยายขนาด ‘n’ เท่าของที่คุณเห็นจากแค่สุญญากาศเพียงอย่างเดียว”

อย่างไรก็ตาม นอกเหนือจากเอฟเฟกต์ควอนตัม Unruh โฟตอนเพิ่มเติมจะขยายเอฟเฟกต์อื่น ๆ ในสุญญากาศซึ่งเป็นข้อเสียเปรียบหลักที่ทำให้นักล่าคนอื่น ๆ ของ Unruh ไม่ใช้วิธีกระตุ้น

อย่างไรก็ตาม Šoda, Sudhir และ Kempf พบวิธีแก้ปัญหาผ่าน “ความโปร่งใสที่เกิดจากการเร่งความเร็ว” ซึ่งเป็นแนวคิดที่พวกเขาแนะนำในบทความนี้ พวกเขาแสดงให้เห็นในทางทฤษฎีว่าหากวัตถุเช่นอะตอมสามารถสร้างขึ้นเพื่อเร่งด้วยวิถีโคจรที่เจาะจงมากผ่านสนามโฟตอน อะตอมจะโต้ตอบกับสนามในลักษณะที่โฟตอนของความถี่ที่แน่นอนจะมองไม่เห็นโดยพื้นฐานแล้ว อะตอม.

“เมื่อเรากระตุ้นเอฟเฟกต์ Unruh ในเวลาเดียวกัน เราก็กระตุ้นเอฟเฟกต์แบบธรรมดาหรือแบบเรโซแนนซ์ด้วย แต่เราแสดงให้เห็นว่าด้วยวิศวกรรมวิถีโคจรของอนุภาค เราสามารถปิดเอฟเฟกต์เหล่านั้นได้” Šoda กล่าว

ด้วยการทำให้เอฟเฟกต์อื่น ๆ โปร่งใส นักวิจัยจึงมีโอกาสที่ดีกว่าในการวัดโฟตอน หรือการแผ่รังสีความร้อนที่มาจากเอฟเฟกต์ Unruh เท่านั้น ตามที่นักฟิสิกส์คาดการณ์ไว้

นักวิจัยมีแนวคิดในการออกแบบการทดลองตามสมมติฐานอยู่แล้ว พวกเขาวางแผนที่จะสร้างเครื่องเร่งอนุภาคขนาดห้องปฏิบัติการที่สามารถเร่งอิเล็กตรอนให้ใกล้เคียงกับความเร็วของแสงซึ่งพวกเขาจะกระตุ้นโดยใช้ลำแสงเลเซอร์ที่ความยาวคลื่นไมโครเวฟ พวกเขากำลังมองหาวิธีสร้างเส้นทางของอิเล็กตรอนเพื่อระงับเอฟเฟกต์คลาสสิก ในขณะที่ขยายเอฟเฟกต์ Unruh ที่เข้าใจยาก

“ตอนนี้เรามีกลไกที่ดูเหมือนว่าจะขยายผลทางสถิติผ่านการกระตุ้น” Sudhir กล่าว “จากประวัติศาสตร์ 40 ปีของปัญหานี้ ตอนนี้เราได้แก้ไขปัญหาคอขวดที่ใหญ่ที่สุดแล้วในทางทฤษฎี”


สิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจว่าแรงโน้มถ่วงควอนตัมส่งผลต่อฟิสิกส์พลังงานต่ำอย่างไร


ข้อมูลมากกว่านี้:
Barbara Šoda et al, ผลกระทบที่กระตุ้นด้วยการเร่งปฏิกิริยาในการโต้ตอบของสสารที่กระตุ้นด้วยแสง, จดหมายทบทวนทางกายภาพ (2022). ดอย: 10.1103/PhysRevLett.128.163603

ให้บริการโดยสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์

การอ้างอิง: นักฟิสิกส์เริ่มดำเนินการตามล่าเพื่อควอนตัมเรืองแสงที่แสวงหามานาน (2022, 26 เมษายน) ดึงข้อมูลเมื่อ 27 เมษายน 2565 จาก https://phys.org/news/2022-04-physicists-embark-long-sought-quantum.html

เอกสารนี้อยู่ภายใต้ลิขสิทธิ์ นอกเหนือจากข้อตกลงที่เป็นธรรมเพื่อการศึกษาหรือการวิจัยส่วนตัวแล้ว ห้ามทำซ้ำส่วนหนึ่งส่วนใดโดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ข้อมูลเท่านั้น

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*