В холодном пекле Как ускориться и увидеть вакуум
Изображение: A.Hobart / Chandra X-Ray Observatory / Handout / NASA / Reutets
Ровно сорок лет назад канадский физик-теоретик Билл Унру опубликовал в журнале Physical Review D статью, в которой описал названный впоследствии его именем квантовый эффект. Работа ученого позволила пересмотреть понятие физического вакуума и представляет собой единственное разумное объяснение излучения Хокинга. «Лента.ру» рассказывает об эффекте Унру.
Явление, открытое канадским физиком-теоретиком, заключается в следующем. Равноускоренно движущийся наблюдатель видит вокруг себя равновесное тепловое излучение, тогда как покоящийся или равномерно перемещающийся его не замечает. Эффект носит существенно квантовый характер, а его экспериментальное обнаружение чрезвычайно затруднительно.
Температура излучения Унру с точностью до комбинации физических постоянных прямо пропорциональна ускорению наблюдателя. В частности, если эта величина равняется ускорению свободного падения на поверхности Земли, достигающему 9,81 метра за секунду в квадрате, то температура Унру равняется четырем на десять в минус двадцатой степени кельвинов. Это означает, что для экспериментального обнаружения излучения Унру как минимум необходимы частицы с огромными ускорениями. Альтернативной проверкой выводов канадского физика может служить прямое наблюдение испарения черных дыр (излучения Хокинга), с которым тесно связан эффект Унру.
Явление позволило по-новому взглянуть на фундаментальные для физики понятия неинерциальной системы отсчета и вакуума. Фактически эффект Унру позволяет определить понятие абсолютной неинерциальной системы отсчета — такой системы, которая движется относительно покоящегося или равномерно движущегося наблюдателя с ускорением. Вакуум в эффекте Унру (как и в квантовой теории поля) представляет собой совокупность нулевых мод (колебаний) квантовых полей, с перестройкой которых и связано появление теплового излучения.
Билл Унру впервые определил температуру теплового излучения вокруг ускоренного движущегося наблюдателя. Его работе предшествовали исследования многих физиков. Особое внимание автор уделил статьям Стивена Хокинга, Стивена Фуллинга и Пауля Дэвиса. Часто фамилии этих ученых используются в названии эффекта Унру.
Математически это проявляется в неинвариантности преобразований гамильтониана, описывающего квантовую систему, при переходе от одной неинерциальной системы к другой, так что равномерно двигающийся наблюдатель и равноускоренно перемещающийся наблюдатель будут видеть разные вакуумные состояния.
В настоящее время эффект Унру экспериментально не обнаружен, опубликованные экспериментальные работы, посвященные излучению, не получили всеобщего признания. Главная трудность связана с детектированием чрезвычайно слабого теплового излучения, которое на практике трудно отличить от теплового шума. С другой стороны, эффект Унру можно проверить, наблюдая за черными дырами.
Билл Унру
Выражение для температуры Унру совпадает с формулой для температуры излучения Хокинга. Эффект, открытый британским физиком-теоретиком, заключается в следующем. С течением времени черная дыра — массивный объект, ограниченный в пространстве-времени горизонтом событий, который не может пересечь попавшее за него тело, может испариться вследствие излучения, происходящего из-за квантовых флуктуаций, связанных с образованием пар частиц. Одна частица из такой пары улетает от черной дыры, а другая — падает в нее.
Эффект Унру приводит к далеко идущим последствиям. Например, его справедливость приводит к сокращению времени жизни элементарных частиц — например, протона и электрона, считающихся стабильными в инерциальной системе отсчета. Кроме того, явление позволяет закрыть несколько физических теорий, претендующих на роль фундаментальных. В частности, в рамках теории струн (сторонником которой Унру не является) удается вывести формулу для температуры Унру, но это невозможно в петлевой квантовой гравитации. Это связано с тем, что в последней не определено плоское пространство-время, которое существует во всех описаниях эффекта Унру.
Явление используется в нескольких экзотических теориях. Несколько раз с его помощью пытались объяснить пролетные аномалии (неожиданное увеличение скорости) в движении космических аппаратов. В последний раз это сделал Майкл Маккалош из Плимутского университета (Великобритания), который также предложил новое объяснение работы двигателя EmDrive. Его примеру через два месяца последовали финские физики. Однако значение эффекта Унру для науки заключается в другом.
Эффекты Хокинга и Унру тесно связывают между собой общую теорию относительности и квантовую теорию поля. В основе первой лежит, в частности, принцип эквивалентности. В своей слабой форме он означает пропорциональность инертной (связанной с движением) и гравитационной (связанной с тяготением) масс и позволяет (в сильной форме) в ограниченной области пространства не различать гравитационное поле и движение с ускорением. Классический пример — лифт. При его равноускоренном движении вверх относительно Земли находящийся в нем наблюдатель не в состоянии определить, находится он в более сильном гравитационном поле или перемещается в рукотворном объекте.
Аналогично горизонту черной дыры, вблизи которого можно наблюдать излучение Хокинга, для эффекта Унру определено понятие риндлерова горизонта, вблизи которого ускоренно движущийся наблюдатель должен заметить тепловое излучение. В этом смысле испарение Хокинга и излучение Унру можно считать одним из проявлений принципа эквивалентности Эйнштейна. Прямое обнаружение этих эффектов стало бы триумфом теоретической физики.