Los físicos se embarcan en la búsqueda del brillo cuántico largamente buscado

Para los fanáticos de «Star Wars», las estrellas rayadas vistas desde la cabina del Halcón Milenario mientras salta al hiperespacio es una imagen canónica. Pero, ¿qué vería realmente un piloto si pudiera acelerar en un instante a través del vacío del espacio? Según una predicción conocida como el efecto Unruh, lo más probable es que vea un brillo cálido.

Desde la década de 1970, cuando se propuso por primera vez, el efecto Unruh ha escapado a la detección, principalmente porque la probabilidad de ver el efecto es infinitamente pequeña, lo que requiere grandes aceleraciones o una gran cantidad de tiempo de observación. Pero los investigadores del MIT y la Universidad de Waterloo creen que han encontrado una manera de aumentar significativamente la probabilidad de observar el efecto Unruh, que detallan en un estudio que apareció en Cartas de revisión física.

En lugar de observar el efecto espontáneamente como otros han intentado en el pasado, el equipo propone estimular el fenómeno, de una manera muy particular que mejora el efecto Unruh mientras suprime otros efectos competidores. Los investigadores comparan su idea con lanzar un capa de invisibilidad en comparación con otros fenómenos convencionales, que luego deberían revelar el efecto Unruh mucho menos notable.

Si se puede lograr en un experimento práctico, este nuevo enfoque estimulado, con una capa adicional de invisibilidad (o «transparencia inducida por aceleración», como se describe en el documento) podría aumentar en gran medida la probabilidad de observar el efecto Unruh. En lugar de esperar más tiempo que la edad del universo para que una partícula acelerada produzca un brillo cálido como predice el efecto Unruh, el enfoque del equipo reduciría el tiempo de espera a unas pocas horas.

«Ahora al menos sabemos que existe una posibilidad en nuestra vida en la que podríamos ver este efecto», dice el coautor del estudio Vivishek Sudhir, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT, quien está planeando un experimento para capturar el efecto basado en la teoría de grupos «Es un experimento difícil y no hay garantía de que podamos hacerlo, pero esta idea es nuestra esperanza más cercana».

Los coautores del estudio también incluyen a Barbara Šoda y Achim Kempf de la Universidad de Waterloo.

Conexión cercana

El efecto Unruh también se conoce como efecto Fulling-Davies-Unruh, llamado así por los tres físicos que lo propusieron inicialmente. La predicción establece que un cuerpo que acelera a través del vacío debería percibir la presencia de radiación caliente puramente como un efecto de la aceleración del cuerpo. Este efecto tiene que ver con las interacciones cuánticas entre la materia acelerada y las fluctuaciones cuánticas dentro del vacío del espacio vacío.

Para producir un resplandor lo suficientemente caliente como para ser medido por detectores, un cuerpo como un átomo tendría que acelerar hasta velocidad de la luz en menos de una millonésima de segundo. Tal aceleración sería equivalente a una fuerza g de un cuatrillón de metros por segundo al cuadrado (un piloto de combate normalmente experimenta una fuerza g de 10 metros por segundo al cuadrado).

«Para ver este efecto en un corto período de tiempo, debe tener una aceleración increíble», dice Sudhir. «Si tuvieras una aceleración razonable, tendrías que esperar una enorme cantidad de tiempo, más que la edad del universo, para ver un efecto medible».

Entonces, ¿cuál sería el punto? Por un lado, dice que observar el efecto Unruh sería una validación de las interacciones cuánticas fundamentales entre la materia y la luz. Y por otro lado, la detección podría representar un espejo del efecto Hawking, una propuesta del físico Stephen Hawking que predice un brillo térmico similar, o «radiación de Hawking», a partir de las interacciones entre la luz y la materia en un campo gravitatorio extremo, como alrededor un agujero negro

«Existe una estrecha conexión entre el efecto Hawking y el efecto Unruh: son exactamente el efecto complementario entre sí», dice Sudhir, quien agrega que si observas el efecto Unruh, «habrías observado un mecanismo que es común». a ambos efectos”.

Una trayectoria transparente

Se espera que el efecto Unruh ocurra espontáneamente en el vacío. De acuerdo a teoría cuántica de camposun vacío no es simplemente un espacio vacío, sino un campo de inquietud fluctuaciones cuánticascon cada banda de frecuencia mide aproximadamente el tamaño de medio fotón. Unruh predijo que un cuerpo acelerando a través del vacío amplificaría estas fluctuaciones, de una manera que produciría un cálido resplandor térmico de partículas.

En su estudio, los investigadores introdujeron un nuevo enfoque para aumentar la probabilidad del efecto Unruh al agregar luz a todo el escenario, un enfoque conocido como estimulación.

«Cuando agregas fotones al campo, agregas ‘n’ veces más de esas fluctuaciones de este medio fotón que está en el vacío», explica Sudhir. «Entonces, si acelera a través de este nuevo estado del campo, esperaría ver efectos que escalan ‘n’ veces lo que solo vería desde el vacío».

Sin embargo, además del efecto Unruh cuántico, los fotones adicionales amplificarían otros efectos en el vacío—Un gran inconveniente que impidió que otros cazadores de Unruh adoptaran el enfoque de estimulación.

Sin embargo, Šoda, Sudhir y Kempf encontraron una solución alternativa a través de la «transparencia inducida por la aceleración», un concepto que introducen en el documento. En teoría, demostraron que si un cuerpo como un átomo pudiera acelerarse en una trayectoria muy específica a través de un campo de fotones, el átomo interactuaría con el campo de tal manera que los fotones de cierta frecuencia parecerían esencialmente invisibles para el átomo.

«Cuando estimulamos el efecto Unruh, también estimulamos los efectos convencionales o resonantes al mismo tiempo, pero mostramos que al diseñar la trayectoria de la partícula, podemos desactivar esos efectos», dice Šoda.

Al hacer que todos los demás efectos sean transparentes, los investigadores podrían tener una mejor oportunidad de medir el fotoneso la radiación térmica procedente únicamente del efecto Unruh, como predijeron los físicos.

Los investigadores ya tienen algunas ideas sobre cómo diseñar un experimento basado en su hipótesis. Planean construir un acelerador de partículas del tamaño de un laboratorio que pueda acelerar un electrón para acercarse a la velocidad de la luz, que luego estimularía usando un rayo láser en longitudes de onda de microondas. Están buscando formas de diseñar el camino del electrón para suprimir los efectos clásicos, amplificando el escurridizo efecto Unruh.

«Ahora tenemos este mecanismo que parece amplificar estadísticamente este efecto a través de la estimulación», dice Sudhir. «Dados los 40 años de historia de este problema, ahora teóricamente hemos resuelto el mayor cuello de botella».