Впервые этот эффект был описан в 1973 году физиком Полом Дэвисом, а в 1976 году – физиком Уильямом Унру. Под собой он подразумевает изучение квантового вакуума. Если двигаться по нему с экстремальным ускорением, то вакуум выглядит как пылесос, полный частиц. Но измерить их не удавалось.
Гипотетический эффект Унру получил совершенно новую методику наблюдений. Вместо изучения пустого пространства, в котором частицы внезапно становятся видимыми при ускорении, можно создать двумерное облако ультрахолодных атомов (конденсат Бозе-Эйнштейна), в которых звуковые частицы, фононы, становятся слышны ускоренному наблюдателю в безмолвном фононном вакууме. Звук не создается детектором, скорее он слышит то, что есть, только из-за ускорения (неускоренный детектор все равно ничего не слышит). Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Одна из основных идей теории относительности Альберта Эйнштейна: результаты измерений могут зависеть от состояния движения наблюдателя. Как быстро тикают часы? Какой длины объект? Какая длина волны у луча света? На этот вопрос нет универсального ответа, результат относительный - он зависит от того, насколько быстро движется наблюдатель. Но как насчет вопроса о том, пуста ли определенная область пространства или нет? Разве в этом не должны согласиться хотя бы два наблюдателя?
Нет - потому что то, что одному наблюдателю кажется идеальным вакуумом, для другого может быть турбулентным роем частиц и излучения. Эффект Унру, открытый в 1976 году Уильямом Унру, утверждает, что для сильно ускоренного наблюдателя вакуум имеет температуру. Это связано с так называемыми виртуальными частицами, которые также ответственны за другие важные эффекты, такие как излучение Хокинга, которое вызывает испарение черных дыр.
Эффект Унру создает тепловой отклик ускоренного детектора при его движении в вакууме. Исследователь из Ноттингемского Университета https://www.nottingham.ac.uk/news/scientists-make-sound-waves-at-the-black-hole-laboratory Себастьян Эрн считает, что напрямую этот эффект наблюдать невозможно. Требуется особое измерительное устройство, которое может ускоряться за микросекунду до скорости света. И тогда в таких условиях можно будет наблюдать минимальное значение эффекта Унру.
Но в реальности этого сделать невозможно. Физики считают, что можно использовать для наблюдений за предполагаемым эффектом, так называемые, квантовые стимуляторы. Возможно, что таким способом объясняются разные квантовые системы.
Моделирование одной системы с помощью другой облегчит понимание черных дыр. Аналоговые модели черных дыр можно будет создавать в лабораторных условиях. Исходная версия не может быть продемонстрирована по практическим причинам, но ее можно создать искусственным образом и наблюдать эффект.
Аналогично тому, как частица представляет собой в пустом пространстве возмущения, то и в холодном конденсате можно также наблюдать такие же процессы: это небольшие неровности, которые выражаются в звуковых волнах. Обнаружить их могут специальные лазерные лучи.
Если перемещать лазерный луч, смещая точку освещения под воздействия конденсата, то это будет соответствовать движению наблюдателя через пустое пространство. А если направить лазерный луч в ускоренном движении над атомным облаком, то можно выявить возмущения, которые не наблюдаются в стационарном случае.
Квантовые симуляторы
«Многие законы квантовой физики универсальны. Можно показать, что они возникают в самых разных системах. Одни и те же формулы можно использовать для объяснения совершенно разных квантовых систем », - говорит Йорг Шмидмайер из Венского технологического университета. «Это означает, что вы часто можете узнать что-то важное о конкретной квантовой системе, изучая другую квантовую систему».
«Моделирование одной системы с помощью другой было особенно полезно для понимания черных дыр, поскольку настоящие черные дыры фактически недоступны», - подчеркивает доктор Сиско Гудинг из лаборатории Black Hole. «Напротив, аналоговые черные дыры можно легко создать прямо здесь, в лаборатории».
Это также верно для эффекта Унру: если исходная версия не может быть продемонстрирована по практическим причинам, тогда можно создать и исследовать другую квантовую систему, чтобы увидеть там эффект.
Атомные облака и лазерные лучи
Подобно тому, как частица представляет собой «возмущение» в пустом пространстве, в холодном конденсате Бозе-Эйнштейна возмущения – это небольшие неоднородности (звуковые волны). Как было показано, такие неоднородности следует обнаруживать с помощью специальных лазерных лучей. Используя специальные приемы, измерение минимально искажает конденсат Бозе-Эйнштейна, несмотря на взаимодействие с лазерным светом.
Йорг Шмидмайер объясняет: «Если вы перемещаете лазерный луч так, чтобы точка освещения двигалась над конденсатом Бозе-Эйнштейна, это соответствует движению наблюдателя через пустое пространство. Если вы направите лазерный луч в ускоренном движении над атомным облаком, тогда вы сможете обнаруживать возмущения, которые не наблюдаются в стационарном случае - точно так же, как ускоренный наблюдатель в вакууме воспринимает тепловую ванну, которой нет для неподвижного наблюдателя».
«До сих пор эффект Унру был абстрактной идеей, - говорит профессор Силке Вайнфуртнер, возглавляющая лабораторию черных дыр в Ноттингемском университете. - Многие оставили надежду на экспериментальную проверку. Возможность включения детектора частиц в квантовое моделирование даст нам новое понимание теоретических моделей, которые иначе экспериментально недоступны».
Уже ведется предварительное планирование проведения в Ноттингемском университете версии эксперимента с использованием сверхтекучего гелия. «Это возможно, но требует очень много времени и нам необходимо преодолеть технические препятствия», - объясняет Йорг Шмидмайер. «Но это был бы прекрасный способ узнать о важном эффекте, который раньше считался практически ненаблюдаемым».