تجربة محرك الاعوجاج لتحويل الذرات إلى غير مرئية يمكن أخيرًا اختبار تنبؤات ستيفن هوكينج الأكثر شهرة
يجب أن يكون الجسم المتسارع الذي يسافر بسرعة قريبة من سرعة الضوء محاطًا بسرب من الجسيمات المتوهجة الخافتة ، وفقًا لتأثير Unruh
تم توقع تأثير Unruh نصف قرن
يمكن أن تقدم تجربة سرعة الالتفاف الجديدة أخيرًا اختبارًا غير مباشر لتنبؤات الفيزيائي الشهير ستيفن هوكينج حول الثقوب السوداء.
يقترح الاقتراح الجديد أنه من خلال دفع الذرة لتصبح غير مرئية ، يمكن للعلماء التقاط لمحة عن التوهج الكمومي الأثيري الذي يغلف الأجسام التي تسافر بسرعة قريبة من سرعة الضوء.
يتسبب تأثير التوهج ، المسمى بتأثير Unruh (أو Fulling-Davies-Unruh) ، في ملء الفراغ حول الأجسام المتسارعة بسرعة بواسطة سرب من الجسيمات الافتراضية ، مما يغمر تلك الأشياء في وهج دافئ. نظرًا لأن التأثير مرتبط ارتباطًا وثيقًا بتأثير هوكينج - حيث تظهر الجسيمات الافتراضية المعروفة بإشعاع هوكينج تلقائيًا عند حواف الثقوب السوداء - لطالما كان العلماء حريصين على اكتشاف أحدهما على أنه إشارة إلى وجود الآخر.
لكن اكتشاف أي من التأثيرين صعب للغاية. يحدث إشعاع هوكينغ فقط حول الهاوية المرعبة لثقب أسود ، وتحقيق التسارع اللازم لتأثير أونروه ربما يحتاج إلى محرك انفتال. الآن ، يمكن أن يغير هذا الاقتراح الجديد الرائد ، الذي نُشر في دراسة بتاريخ 26 أبريل في مجلة Physical Review Letters . يقول مؤلفوها إنهم اكتشفوا آلية لزيادة قوة تأثير Unruh بشكل كبير من خلال تقنية يمكنها تحويل المادة بشكل فعال إلى غير مرئية.
قال المؤلف المشارك Vivishek Sudhir ، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومصمم التجربة الجديدة ، في بيان: "الآن على الأقل نعلم أن هناك فرصة في حياتنا حيث قد نرى هذا التأثير بالفعل" . "إنها تجربة صعبة ، وليس هناك ما يضمن أننا سنكون قادرين على القيام بها ، لكن هذه الفكرة هي أقرب أمل لنا."
تم اقتراح تأثير Unruh لأول مرة من قبل العلماء في السبعينيات ، وهو أحد التوقعات العديدة التي خرجت من نظرية المجال الكمومي. وفقًا لهذه النظرية ، لا يوجد شيء اسمه فراغ فارغ. في الواقع ، فإن أي جيب من الفضاء مكتظ بذبذبات كمومية لا نهاية لها ، والتي ، إذا أعطيت طاقة كافية ، يمكن أن تنفجر تلقائيًا إلى أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة التي تقضي على بعضها البعض على الفور تقريبًا. وأي جسيم - سواء كان مهمًا أو خفيفًا - هو ببساطة إثارة محلية لهذا المجال الكمومي.
في عام 1974 ، تنبأ ستيفن هوكينج بأن قوة الجاذبية الشديدة التي تشعر بها عند حواف الثقوب السوداء - آفاق الحدث الخاصة بها - ستخلق أيضًا جسيمات افتراضية.
الجاذبية ، وفقًا لنظرية أينشتاين للنسبية العامة ، تشوه الزمكان ، بحيث تصبح الحقول الكمومية أكثر تشوهًا كلما اقتربت من الجاذبية الهائلة لتفرّد الثقب الأسود . بسبب حالة عدم اليقين والغرابة في ميكانيكا الكم ، فإن هذا يؤدي إلى تشويه المجال الكمي ، مما يؤدي إلى إنشاء جيوب غير متساوية من وقت الحركة المختلفة والارتفاعات اللاحقة للطاقة عبر الحقل. إن عدم تطابق الطاقة هو الذي يجعل الجسيمات الافتراضية تظهر مما يبدو أنه لا شيء على أطراف الثقوب السوداء.
وقالت باربرا شودا ، كبيرة الباحثين في الدراسة ، طالبة الدكتوراه في الفيزياء بجامعة واترلو في كندا ، في بيان: "يعتقد أن الثقوب السوداء ليست سوداء بالكامل" . "بدلاً من ذلك ، كما اكتشف ستيفن هوكينج ، يجب أن تصدر الثقوب السوداء إشعاعات."
تمامًا مثل تأثير هوكينج ، فإن تأثير أونرو يخلق أيضًا جسيمات افتراضية من خلال الاندماج الغريب لميكانيكا الكم والتأثيرات النسبية التي تنبأ بها أينشتاين. لكن هذه المرة ، بدلاً من التشوهات التي تسببها الثقوب السوداء ونظرية النسبية العامة ، فإنها تأتي من سرعات الضوء القريبة والنسبية الخاصة ، والتي تملي أن الوقت يمر بشكل أبطأ كلما اقترب الجسم من سرعة الضوء.
وفقًا لنظرية الكم ، يمكن للذرة الثابتة فقط زيادة طاقتها من خلال انتظار فوتون حقيقي لإثارة أحد إلكتروناتها . ومع ذلك ، بالنسبة للذرة المتسارعة ، يمكن للتقلبات في المجال الكمومي أن تتراكم لتبدو وكأنها فوتونات حقيقية. من منظور ذرة متسارعة ، سوف تتحرك عبر حشد من جزيئات الضوء الدافئ ، وكلها تسخنها. ستكون هذه الحرارة علامة منبهة لتأثير Unruh.
لكن التسارع المطلوب لإحداث التأثير يفوق بكثير قدرة أي معجل جسيمات موجود. ستحتاج الذرة إلى تسريع سرعة الضوء في أقل من جزء من المليون من الثانية - حيث تعاني من قوة ag تساوي كوادريليون متر في الثانية مربعة - لإنتاج توهج ساخن بدرجة كافية حتى تتمكن أجهزة الكشف الحالية من اكتشافه.
قال سودهير: "لرؤية هذا التأثير في فترة قصيرة من الوقت ، يجب أن يكون لديك بعض التسارع المذهل". "إذا كان لديك بدلاً من ذلك بعض التسارع المعقول ، فسيتعين عليك الانتظار قدرًا هائلاً من الوقت - أطول من عمر الكون - لترى تأثيرًا يمكن قياسه."
لجعل التأثير قابلاً للتحقيق ، اقترح الباحثون بديلاً بارعًا. تصبح التقلبات الكمية أكثر كثافة بواسطة الفوتونات ، مما يعني أن ذرة مصنوعة للتحرك خلال فراغ أثناء تعرضها لضوء من ليزر عالي الكثافة يمكن ، نظريًا ، إنتاج تأثير Unruh ، حتى عند التسارع الصغير نسبيًا. ومع ذلك ، تكمن المشكلة في أن الذرة يمكن أن تتفاعل أيضًا مع ضوء الليزر ، وتمتصه لرفع مستوى طاقة الذرة ، مما ينتج عنه حرارة من شأنها أن تغرق الحرارة الناتجة عن تأثير Unruh.
لكن الباحثين وجدوا حلاً آخر: تقنية يسمونها الشفافية الناتجة عن التسارع. إذا أُجبرت الذرة على اتباع مسار محدد للغاية عبر مجال من الفوتونات ، فلن تكون الذرة قادرة على "رؤية" الفوتونات ذات التردد المحدد ، مما يجعلها غير مرئية بشكل أساسي للذرة. لذلك من خلال التسلسل التعاقبي لكل هذه الحلول ، سيتمكن الفريق بعد ذلك من اختبار تأثير Unruh عند هذا التردد المحدد للضوء.
سيكون جعل هذه الخطة حقيقة مهمة صعبة. يخطط العلماء لبناء مسرع جسيمات بحجم المختبر من شأنه تسريع الإلكترون إلى سرعات الضوء بينما يضربه بشعاع ميكروويف. إذا كانوا قادرين على اكتشاف التأثير ، فإنهم يخططون لإجراء تجارب معه ، خاصة تلك التي ستمكنهم من استكشاف الروابط المحتملة بين نظرية النسبية لأينشتاين وميكانيكا الكم.
"لا تزال نظرية النسبية العامة ونظرية ميكانيكا الكم على خلاف إلى حد ما حاليًا ، ولكن يجب أن تكون هناك نظرية موحدة تصف كيفية عمل الأشياء في الكون" ، كما قال المؤلف المشارك أكيم كيمبف ، أستاذ الرياضيات التطبيقية في وقالت جامعة واترلو في بيان . "لقد كنا نبحث عن طريقة لتوحيد هاتين النظريتين الكبيرتين ، وهذا العمل يساعدنا على تقريبنا أكثر من خلال فتح الفرص لاختبار نظريات جديدة ضد التجارب."