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“真空”其实富含粒子 科学家提出验证实验
2022-05-28

安鲁效应(Unruh effect)提出真空其实充满了粒子,这种现象和物理学家霍金(Stephen Hawking)提出的黑洞辐射理论,都是结合量子物理学和相对论的知名理论。可是还无法得到实验支持,最近一份研究终于提出一个实验能够进行验证。

充满粒子的真空

爱因斯坦相对论的一个基本概念是说,观测结果在很大程度上取决于观测者的运动状态。钟表走得多快?某个物体有多长?光波的波长是多少?所有这些看似平常的问题,其实没有固定的答案。对于以不同速度运动的观测者来说,答案是不同的。同样,对于某个空间是不是真空的问题,答案也取决于观测者的速度。

安鲁(William Unruh)在1976年提出,对于猛烈加速的观测者来说,真空有一定温度。这是由所谓的虚拟粒子导致。霍金辐射理论也认为,虚拟粒子导致黑洞出现某种蒸散现象,导致黑洞质量减小。

主要研究员之一诺丁汉大学(University of Nottingham)的厄恩(Sebastian Erne)说:“直接观测安鲁效应对我们来说,完全办不到。你需要一个在1微秒内加速到接近光速的探测器,才侦测到细微的安鲁效应。然而,可以通过其它办法探索这个奇异的效应:使用量子模拟器。”

量子模拟器

“量子物理学对于很多定律具有普遍意义。”合作研究员维也纳科技大学(Vienna University of Technology)的施密德迈耶(Jörg Schmiedmayer)说:“也就是说,你可以通过研究另一个完全不同的系统,以探索一个特定的量子系统。”

“用一个系统模拟另一个系统,对研究黑洞这样的物体特别有用,因为黑洞基本上是触碰不到的东西。”诺丁汉大学黑洞研究室的古丁(Cisco Gooding)说:“可是,我们在实验室可以造出模拟的黑洞。”

对于安鲁效应也是一样,虽然无法展示真空中加速观测者的情形,研究人员提出了这样一个替代模拟器的情形进行实验。

原子云和激光束

这份研究提出这样的办法验证安鲁效应:虽然无法直接研究真空的情形,利用一个二维超低温原子云——即玻色—爱因斯坦冷凝物作为量子模拟器,模拟真空系统,利用激光束作为探测器在冷凝物中移动,如果在原本寂静的冷凝物中探测到声子,就可以证明出现了安鲁效应。

施密德迈耶说:“如果你移动激光束,当它穿过冷凝物的时候,等同于探测器在真空中的移动。如果引导激光束以加速模式在原子云中穿过,那么应该会发现在静止状态下探测不到的干扰因素,就像真空中的加速者将观测到在静止状态下观测不到的热力。”

诺丁汉大学黑洞研究室负责人温福特(Silke Weinfurtner)说:“直到现在,安鲁效应一直是一个抽象的概念。很多人已经放弃了用实验对它验证的希望。我们提出用量子模拟器结合粒子探测器的实验,将探索这个理论模型变为可能。”

这份研究11月23日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

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