Los físicos se embarcan en la búsqueda de un brillo cuántico largamente buscado

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Para los fanáticos de “Star Wars”, las estrellas que se ven 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 eludido la detección, principalmente porque la probabilidad de ver el efecto es infinitesimalmente pequeña, lo que requiere aceleraciones enormes 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 aparece en Physical Review Letters.

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 realza el efecto Unruh mientras suprime otros efectos competidores. Los investigadores comparan su idea con arrojar una capa de invisibilidad sobre otros fenómenos convencionales, que luego deberían revelar el efecto Unruh mucho menos obvio.

Si se puede realizar 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 enormemente 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 ese tiempo de espera a unas pocas horas.

“Ahora, al menos, sabemos que existe una posibilidad en nuestras vidas de que podamos ver este efecto”, dice el coautor del estudio Vivishek Sudhir, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT, quien está diseñando un experimento para captar el efecto basado en el teoría del grupo. “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, en honor a los tres físicos que lo propusieron inicialmente. La predicción establece que un cuerpo que está acelerando a través del vacío debería, de hecho, sentir la presencia de radiación cálida simplemente 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 brillo lo suficientemente cálido para que lo midieran los detectores, un cuerpo como un átomo tendría que acelerar a la 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, tendrías que tener una aceleración increíble”, dice Sudhir. “Si, en cambio, tuviera una aceleración razonable, tendría 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 de 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 uno del otro”, dice Sudhir, quien agrega que si uno fuera a observar el efecto Unruh, “habría observado un mecanismo que es común a ambos efectos”.

Una trayectoria transparente

Se predice que el efecto Unruh ocurrirá espontáneamente en el vacío. Según la teoría del campo cuántico, el vacío no es simplemente un espacio vacío, sino un campo de fluctuaciones cuánticas inquietas, en el que cada banda de frecuencia mide aproximadamente el tamaño de medio fotón. Unruh predijo que un cuerpo que acelera a través del vacío debería amplificar estas fluctuaciones, de una manera que produce un cálido brillo 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, estás agregando ‘n’ veces más de esas fluctuaciones que 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 también escalan ‘n’ veces lo que vería solo con el vacío”.

Sin embargo, además del efecto cuántico Unruh, los fotones adicionales también amplificarían otros efectos en el vacío, un gran inconveniente que ha impedido que otros cazadores del efecto Unruh adopten el enfoque de estimulación.

Sin embargo, Šoda, Sudhir y Kempf encontraron una solución a través de la “transparencia inducida por la aceleración”, un concepto que introducen en el documento. Demostraron teóricamente que si un cuerpo como un átomo pudiera acelerarse con 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 los demás. átomo.

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

Al hacer que todos los demás efectos sean transparentes, los investigadores podrían tener una mejor oportunidad de medir los fotones o la radiación térmica proveniente solo 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 capaz de acelerar un electrón a una velocidad cercana a la de la luz, que luego estimularían usando un rayo láser en longitudes de onda de microondas. Están buscando formas de diseñar el camino del electrón para suprimir los efectos clásicos, mientras amplifican 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, en teoría, hemos solucionado el mayor cuello de botella”.

Esta investigación fue financiada, en parte, por el Consejo Nacional de Investigación de Ciencias e Ingeniería de Canadá, el Consejo de Investigación de Australia y un Premio de Investigación de la Facultad de Google.

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