Μια ομάδα φυσικών από το Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης και το Ινστιτούτο Επιστημονικής Εκπαίδευσης και Έρευνας της Ινδίας (IISER) Mohali παρουσίασε μια ρηξικέλευθη πρόταση που υπόσχεται να φέρει ένα από τα πιο αινιγματικά φαινόμενα της κβαντικής φυσικής από τη θεωρία στην εργαστηριακή πραγματικότητα. Ο λόγος για το φαινόμενο Unruh, μια πρόβλεψη που θέλει το απόλυτο κενό να μην είναι τελικά τόσο… άδειο και ψυχρό όσο νομίζουμε, αρκεί να το διασχίζει κανείς με επιταχυνόμενη κίνηση.
Για δεκαετίες, η πειραματική επιβεβαίωση αυτής της θεωρίας προσέκρουε σε έναν πρακτικά ανυπέρβλητο τοίχο: οι επιταχύνσεις που απαιτούνται για να καταγραφεί η παραμικρή θερμική μεταβολή είναι αστρονομικές, πολύ πέρα από τις δυνατότητες οποιουδήποτε επίγειου επιταχυντή. Ωστόσο, η νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters, προτείνει μια έξυπνη παράκαμψη του προβλήματος, χρησιμοποιώντας την ακρίβεια του χρόνου αντί για την ωμή δύναμη της ταχύτητας.
Το παράδοξο της θερμότητας στο κενό
Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία πεδίου, η έννοια του «κενού» είναι σχετική. Για έναν παρατηρητή που κινείται με σταθερή ταχύτητα (ή παραμένει ακίνητος), το κενό διάστημα είναι πράγματι κρύο και άδειο. Ωστόσο, για έναν παρατηρητή που επιταχύνει, το ίδιο ακριβώς πεδίο εμφανίζεται γεμάτο σωματίδια και θερμότητα. Αυτή η παράξενη ιδιότητα, γνωστή ως φαινόμενο Unruh, υποδηλώνει ότι η θερμοκρασία είναι τελικά θέμα… κινητικής κατάστασης.
Το πρόβλημα είναι πως για να δει κανείς το θερμόμετρο να ανεβαίνει έστω και ελάχιστα, χρειάζεται επιτάχυνση τόσο ακραία που θα διέλυε οποιαδήποτε γνωστή συσκευή. Αυτός είναι και ο λόγος που το φαινόμενο παρέμενε μέχρι σήμερα μια συναρπαστική αλλά απρόσιτη μαθηματική πρόβλεψη.
Η λύση της «υπερακτινοβολίας»
Οι ερευνητές, με επικεφαλής τους Akhil Deswal και Navdeep Arya, εστίασαν σε μια διαφορετική προσέγγιση. Αντί να προσπαθήσουν να θερμάνουν έναν ανιχνευτή μέσω brute-force επιτάχυνσης, σχεδίασαν μια διάταξη που λειτουργεί ως ενισχυτής σήματος. Το κλειδί βρίσκεται σε μια συλλογή ατόμων τοποθετημένων ανάμεσα σε δύο παράλληλα κάτοπτρα υψηλής ακρίβειας.
Υπό κανονικές συνθήκες, τα άτομα αυτά εκπέμπουν φως ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Όταν όμως βρεθούν στις κατάλληλες συνθήκες ανάκλασης, συμβαίνει κάτι εντυπωσιακό: τα άτομα συγχρονίζονται και εκπέμπουν φως ομαδικά, φαινόμενο που ονομάζεται «υπερακτινοβολία».
Οι ερευνητές παρομοιάζουν αυτή τη διαδικασία με μια χορωδία. Όταν οι τραγουδιστές ενώνουν τις φωνές τους, το αποτέλεσμα είναι πολύ πιο δυνατό από το άθροισμα των μεμονωμένων φωνών. Σε αυτή την κβαντική χορωδία, τα κάτοπτρα παίζουν τον ρόλο του μαέστρου που συντονίζει την εκπομπή.
Ο χρόνος ως αποτύπωμα της ανακάλυψης
Η καινοτομία της μελέτης έγκειται στον τρόπο ανίχνευσης του φαινομένου. Αν τα επιταχυνόμενα άτομα «αισθανθούν» τη ανεπαίσθητη θερμότητα του φαινομένου Unruh, η συμπεριφορά τους αλλάζει διακριτικά. Δεν εκπέμπουν απλώς φως, αλλά το κάνουν νωρίτερα από το αναμενόμενο.
«Βρήκαμε έναν τρόπο να μετατρέψουμε τον ψίθυρο του φαινομένου Unruh σε κραυγή», δηλώνει χαρακτηριστικά ο Akhil Deswal, υποψήφιος διδάκτορας στο IISER Mohali. Η χρονική αυτή μετατόπιση είναι η υπογραφή που αναζητούσαν οι φυσικοί. Ενώ τα σήματα θορύβου του περιβάλλοντος παραμένουν σταθερά, η λάμψη που προκαλείται από την επιτάχυνση φτάνει στον τερματισμό με προβάδισμα.
Αυτό το χρονικό «κλικ» λειτουργεί ως φίλτρο. Εστιάζοντας στο πότε συμβαίνει η εκπομπή φωτός και όχι μόνο στο πόσο έντονη είναι, οι επιστήμονες μπορούν να απομονώσουν το σήμα του Unruh από τον θόρυβο που κανονικά θα το έπνιγε. Ο Navdeep Arya, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης, επισημαίνει ότι αυτός ο χρονικός δείκτης καθιστά τον διαχωρισμό του σήματος πολύ πιο εύκολο και αξιόπιστο.
Γέφυρα προς τη Βαρύτητα
Η σημασία αυτής της πρότασης εκτείνεται πέρα από την απλή επιβεβαίωση μιας θεωρίας. Η αρχή της ισοδυναμίας του Αϊνστάιν μας διδάσκει ότι η επιτάχυνση και η βαρύτητα είναι άρρηκτα συνδεδεμένες. Συνεπώς, η δυνατότητα μελέτης φαινομένων επιτάχυνσης σε ελεγχόμενο περιβάλλον εργαστηρίου ανοίγει ένα παράθυρο στη μελέτη κβαντικών φαινομένων που σχετίζονται με τη βαρύτητα.
Η χρήση κατόπτρων υψηλής ποιότητας μειώνει δραματικά τις απαιτήσεις επιτάχυνσης, φέρνοντας το πείραμα στα όρια του εφικτού για τη σύγχρονη τεχνολογία. Αντί να κυνηγούν φαντάσματα σε ακραία περιβάλλοντα του Σύμπαντος, οι φυσικοί μπορεί σύντομα να είναι σε θέση να εξερευνήσουν τα μυστικά του χωροχρόνου πάνω σε έναν εργαστηριακό πάγκο.
Η μελέτη, η οποία συνυπογράφεται επίσης από τους Kinjalk Lochan και Sandeep K. Goyal, προσφέρει έναν οδικό χάρτη για πειραματικούς φυσικούς. Αν η θεωρία επαληθευτεί στην πράξη, θα αποτελέσει ένα ιστορικό βήμα για την κατανόηση της φύσης του κενού και της αλληλεπίδρασης μεταξύ ύλης, φωτός και κίνησης.
