Эффект Унру

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Эффект Унру или излучение Унру (англ. Unruh effect) — предсказываемый квантовой теорией поля эффект наблюдения теплового излучения в ускоряющейся системе отсчёта при отсутствии этого излучения в инерциальной системе отсчёта. Другими словами, ускоряющийся наблюдатель увидит фон излучения вокруг себя, даже если неподвижный наблюдатель не видит ничего. Основное квантовое состояние (физический вакуум) в неподвижной системе кажется состоянием с ненулевой температурой в ускоряющейся системе отсчёта.

Эффект был открыт в 1976 году Биллом Унру из Университета Британской Колумбии.

Унру показал, что понятие о вакууме зависит от того, как наблюдатель движется сквозь пространство-время. Если вокруг неподвижного наблюдателя находится только вакуум, то ускоряющийся наблюдатель увидит вокруг себя много частиц, находящихся в термодинамическом равновесии, то есть тёплый газ. Эффект Унру произвёл переворот в понимании слова вакуум, так как теперь можно говорить о вакууме только относительно какого-то объекта.

Простейшее объяснение[править | править вики-текст]

По современным определениям, понятие вакуум — не то же самое, что и пустое пространство, так как всё пространство заполнено квантованными полями (иногда говорят о виртуальных частицах). Вакуум — это самое простое, низшее по энергии из возможных состояний. Энергетические уровни любого квантованного поля зависят от гамильтониана, который, в свою очередь, в общем случае зависит от координат, импульсов и времени. Поэтому гамильтониан, а значит и понятие вакуума, зависит от системы отсчёта. В пространстве Минковского из-за его высокой симметрии для всех инерциальных систем отсчёта вакуум — одно и то же состояние. Но это не так уже для неинерциальных систем в пространстве Минковского, а тем более для практически произвольно искривлённых пространств общей теории относительности.

Как известно, количество частиц является собственным значением оператора, зависящего от операторов рождения и уничтожения. Перед тем, как определить операторы рождения и уничтожения, нам нужно разложить свободное поле на положительные и отрицательные частотные компоненты. А это можно сделать только в пространствах с времениподобным вектором Киллинга (хотя бы асимптотическим). Разложение будет разным в галилеевых и риндлеровских координатах, несмотря на то что операторы рождения и уничтожения в них связаны преобразованием Боголюбова (англ.). Именно поэтому количество частиц зависит от системы отсчёта.

Эффект Унру и общая теория относительности[править | править вики-текст]

Эффект Унру позволяет дать грубое объяснение излучения Хокинга, но не может считаться полным его аналогом.[1] При равноускоренном движении позади ускоряющегося тела также возникает горизонт событий, но разница в граничных условиях задач дает различное решение для этих эффектов. В частности, подход, основанный на расчете ограниченных интегралов по путям, даёт следующую картину для эффекта Унру: «тепловая атмосфера» ускоренного наблюдателя состоит из виртуальных частиц, но если такая виртуальная частица поглощается ускоренным наблюдателем, то соответствующая античастица становится реальной и доступна для детектирования инерциальным наблюдателем.[1] В этом случае ускоренный наблюдатель теряет часть своей энергии. В случае эффекта Хокинга для чёрной дыры, сформировавшейся в результате гравитационного коллапса, картина другая: появляющиеся в результате эффекта частицы «тепловой атмосферы» являются реальными. Эти частицы, уходящие на бесконечность, могут наблюдаться и поглощаться удаленным наблюдателем, однако, независимо от их поглощения, эти частицы уносят массу (энергию) черной дыры.[1]

Численное значение[править | править вики-текст]

Температура наблюдаемого излучения Унру выражается той же формулой, что и температура излучения Хокинга, но зависит не от поверхностной гравитации, а от ускорения системы отсчета a.

T = \frac{\hbar a}{2\pi k c} \approx 4{,}055\cdot 10^{-21}\; \mathrm{K} \cdot \frac{a}{1\; \mathrm{m/s^2}} .

Так, температура вакуума в системе отсчёта частицы, двигающейся со стандартным земным ускорением свободного падения 9,81 м/с², равна 4×10−20 К. Для экспериментальной проверки эффекта Унру планируется достигнуть ускорения частиц 1026 м/с², что соответствует температурам около 400 000 K. Есть предложения, как с помощью фазы Берри можно экспериментально проверить эффект на гораздо меньших ускорениях, до 1017 м/с².[2]

Эффект Унру также влечёт за собой изменение скорости распада ускоренных частиц по отношению к частицам, движущимся по инерции. Некоторые стабильные частицы (такие, как протон) приобретают конечное время распада.[3] В частности, протон может распасться по каналу p → n+e++νe, запрещённому законом сохранения энергии для покоящегося или равномерно движущегося протона.[4][5] При достижимых на Земле ускорениях этот эффект чрезвычайно слаб (для протона в LHC с ускорением 1023 см/с2 время жизни \sim 10^{3\times 10^8} лет[4]), однако в некоторых астрофизических условиях это время может значительно уменьшиться. Например, ускорение протона с энергией 1,6×105 ГэВ, попавшего в магнитное поле пульсара с B=1014 Гс, составляет 5×1033 см/с2, а «лабораторное» время жизни уменьшается до ~0,1 секунды.[4]

Источники[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 М. Б. Менский Релятивистские квантовые измерения, эффект Унру и черные дыры // Теоретическая и математическая физика. — 1998. — Т. 115. — № 2. — С. 215—232.
  2. Eduardo Martín-Martínez, Ivette Fuentes, and Robert B. Mann Using Berry’s Phase to Detect the Unruh Effect at Lower Accelerations (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2011. — В. 13. — Vol. 107. — P. 131301 [5 pages]. — DOI:10.1103/PhysRevLett.107.131301 — arΧiv1012.2208.
  3. R. Mueller Decay of accelerated particles (англ.) // Phys. Rev. D. — 1997. — Vol. 56. — P. 953—960. — DOI:10.1103/PhysRevD.56.953 — arΧivhep-th/9706016.
  4. 1 2 3 D. A. T. Vanzella and G. E. A. Matsas Decay of accelerated protons and the existence of the Fulling-Davies-Unruh effect (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2001. — Vol. 87. — P. 151301. — DOI:10.1103/PhysRevLett.87.151301 — arΧivgr-qc/0104030.
  5. H. Suzuki and K. Yamada Analytic Evaluation of the Decay Rate for Accelerated Proton (англ.) // Phys. Rev. D. — 2003. — Vol. 67. — P. 065002. — DOI:10.1103/PhysRevD.67.065002 — arΧivgr-qc/0211056.