Physiker begeben sich auf die Jagd nach einem lang gesuchten Quantenglühen

Für „Star Wars“-Fans sind die streifenden Sterne, die man aus dem Cockpit des Millennium Falcon sieht, während er in den Hyperraum springt, ein kanonisches Bild. Aber was würde ein Pilot tatsächlich sehen, wenn er in einem Augenblick durch das Vakuum des Weltraums beschleunigen könnte? Einer Vorhersage zufolge, die als Unruh-Effekt bekannt ist, würde sie eher ein warmes Leuchten sehen.

Seit den 1970er Jahren, als er erstmals vorgeschlagen wurde, hat sich der Unruh-Effekt der Entdeckung entzogen, hauptsächlich weil die Wahrscheinlichkeit, den Effekt zu sehen, verschwindend klein ist und entweder enorme Beschleunigungen oder enorme Mengen an Beobachtungszeit erfordert. Aber Forscher des MIT und der University of Waterloo glauben, dass sie einen Weg gefunden haben, die Wahrscheinlichkeit, den Unruh-Effekt zu beobachten, signifikant zu erhöhen, was sie in einer Studie, in der sie erscheinen, detailliert beschreiben Briefe zur körperlichen Überprüfung.

Anstatt den Effekt spontan zu beobachten, wie andere es in der Vergangenheit versucht haben, schlägt das Team vor, das Phänomen auf eine ganz besondere Weise zu stimulieren, die den Unruh-Effekt verstärkt, während andere konkurrierende Effekte unterdrückt werden. Die Forscher vergleichen ihre Idee damit, einen Unsichtbarkeitsmantel über andere herkömmliche Phänomene zu werfen, der dann den viel weniger offensichtlichen Unruh-Effekt offenbaren sollte.

Wenn es in einem praktischen Experiment realisiert werden kann, könnte dieser neue stimulierte Ansatz mit einer zusätzlichen Ebene der Unsichtbarkeit (oder „beschleunigungsinduzierten Transparenz“, wie in der Veröffentlichung beschrieben) die Wahrscheinlichkeit, den Unruh-Effekt zu beobachten, erheblich erhöhen. Anstatt länger als das Alter des Universums darauf zu warten, dass ein beschleunigtes Teilchen ein warmes Leuchten erzeugt, wie es der Unruh-Effekt vorhersagt, würde der Ansatz des Teams diese Wartezeit auf wenige Stunden verkürzen.

„Jetzt wissen wir zumindest, dass es zu unseren Lebzeiten eine Chance gibt, diesen Effekt tatsächlich zu sehen“, sagt Studien-Co-Autor Vivishek Sudhir, Assistenzprofessor für Maschinenbau am MIT, der ein Experiment entwickelt, um den Effekt auf der Grundlage von zu erfassen Gruppentheorie. „Es ist ein hartes Experiment, und es gibt keine Garantie, dass wir es schaffen würden, aber diese Idee ist unsere größte Hoffnung.“

Zu den Co-Autoren der Studie gehören auch Barbara Šoda und Achim Kempf von der University of Waterloo.

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Der Unruh-Effekt ist nach den drei Physikern, die ihn ursprünglich vorgeschlagen haben, auch als Fulling-Davies-Unruh-Effekt bekannt. Die Vorhersage besagt, dass ein Körper, der durch ein Vakuum beschleunigt, die Anwesenheit von warmer Strahlung tatsächlich nur als Effekt der Beschleunigung des Körpers spüren sollte. Dieser Effekt hat mit Quantenwechselwirkungen zwischen beschleunigter Materie und Quantenfluktuationen im Vakuum des leeren Raums zu tun.

Um ein für Detektoren messbares Leuchten zu erzeugen, müsste ein Körper wie ein Atom in weniger als einer millionstel Sekunde auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Eine solche Beschleunigung würde einer G-Kraft von einer Billiarde Meter pro Quadratsekunde entsprechen (ein Kampfpilot erfährt typischerweise eine G-Kraft von 10 Metern pro Quadratsekunde).

„Um diesen Effekt in kurzer Zeit zu sehen, müsste man eine unglaubliche Beschleunigung haben“, sagt Sudhir. „Wenn Sie stattdessen eine vernünftige Beschleunigung hätten, müssten Sie eine gigantische Zeit warten – länger als das Alter des Universums -, um einen messbaren Effekt zu sehen.“

Was wäre dann der Sinn? Zum einen sagt er, dass die Beobachtung des Unruh-Effekts eine Bestätigung grundlegender Quantenwechselwirkungen zwischen Materie und Licht wäre. Und zum anderen könnte der Nachweis einen Spiegel des Hawking-Effekts darstellen – ein Vorschlag des Physikers Stephen Hawking, der ein ähnliches thermisches Leuchten oder „Hawking-Strahlung“ aus Licht- und Materie-Wechselwirkungen in einem extremen Gravitationsfeld wie etwa um a vorhersagt schwarzes Loch.

„Es gibt eine enge Verbindung zwischen dem Hawking-Effekt und dem Unruh-Effekt – sie sind genau die komplementären Effekte voneinander“, sagt Sudhir, der hinzufügt, dass, wenn man den Unruh-Effekt beobachten würde, „man einen Mechanismus beobachtet hätte, der ist beiden Effekten gemeinsam.“

Eine transparente Bahn

Es wird vorhergesagt, dass der Unruh-Effekt spontan im Vakuum auftritt. Nach der Quantenfeldtheorie ist ein Vakuum nicht einfach leerer Raum, sondern ein Feld unruhiger Quantenfluktuationen, wobei jedes Frequenzband etwa die Größe eines halben Photons misst. Unruh sagte voraus, dass ein Körper, der durch ein Vakuum beschleunigt wird, diese Schwankungen auf eine Weise verstärken sollte, die ein warmes, thermisches Glühen von Partikeln erzeugt.

In ihrer Studie führten die Forscher einen neuen Ansatz ein, um die Wahrscheinlichkeit des Unruh-Effekts zu erhöhen, indem sie dem gesamten Szenario Licht hinzufügten – ein Ansatz, der als Stimulation bekannt ist.

„Wenn Sie dem Feld Photonen hinzufügen, fügen Sie n-mal mehr dieser Schwankungen hinzu als dieses halbe Photon, das sich im Vakuum befindet“, erklärt Sudhir. „Wenn Sie also durch diesen neuen Zustand des Feldes beschleunigen, würden Sie erwarten, Effekte zu sehen, die auch das N-fache dessen skalieren, was Sie nur vom Vakuum allein sehen würden.“

Zusätzlich zum Quanten-Unruh-Effekt würden die zusätzlichen Photonen jedoch auch andere Effekte im Vakuum verstärken – ein großer Nachteil, der andere Jäger des Unruh-Effekts davon abgehalten hat, den Stimulationsansatz zu wählen.

Šoda, Sudhir und Kempf fanden jedoch eine Problemumgehung durch „beschleunigungsinduzierte Transparenz“, ein Konzept, das sie in dem Papier vorstellen. Sie zeigten theoretisch, dass, wenn ein Körper wie ein Atom dazu gebracht werden könnte, mit einer ganz bestimmten Bahn durch ein Feld von Photonen zu beschleunigen, das Atom so mit dem Feld wechselwirken würde, dass Photonen einer bestimmten Frequenz für das Licht im Wesentlichen unsichtbar erscheinen würden Atom.

„Wenn wir den Unruh-Effekt stimulieren, stimulieren wir gleichzeitig auch die konventionellen oder resonanten Effekte, aber wir zeigen, dass wir diese Effekte im Wesentlichen ausschalten können, indem wir die Flugbahn des Teilchens manipulieren“, sagt Šoda.

Indem sie alle anderen Effekte transparent machten, hätten die Forscher dann eine bessere Chance, die Photonen oder die Wärmestrahlung zu messen, die nur vom Unruh-Effekt stammt, wie die Physiker vorhergesagt hatten.

Die Forscher haben bereits einige Ideen, wie sie auf der Grundlage ihrer Hypothese ein Experiment entwerfen könnten. Sie planen, einen Teilchenbeschleuniger in Laborgröße zu bauen, der in der Lage ist, ein Elektron auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, das sie dann mit einem Laserstrahl bei Mikrowellenwellenlängen anregen würden. Sie suchen nach Möglichkeiten, den Weg des Elektrons zu manipulieren, um klassische Effekte zu unterdrücken und gleichzeitig den schwer fassbaren Unruh-Effekt zu verstärken.

„Jetzt haben wir diesen Mechanismus, der diesen Effekt durch Stimulation statistisch zu verstärken scheint“, sagt Sudhir. „Angesichts der 40-jährigen Geschichte dieses Problems haben wir jetzt theoretisch den größten Engpass behoben.“