(a) illustra come si prevede che la radiazione di Unruh emerga in un quadro in accelerazione. (b) mostra l'immagine del nostro esperimento che simula la radiazione di Unruh. Credito:Hu et a.
I ricercatori dell'Università di Chicago (UChicago) hanno recentemente riportato un'osservazione sperimentale di un campo di materia con fluttuazioni termiche che è in accordo con le previsioni di radiazione di Unruh. La loro carta, pubblicato in Fisica della natura , potrebbe aprire nuove possibilità per la ricerca che esplori la dinamica dei sistemi quantistici in uno spaziotempo curvo.
"Il nostro team di UChicago ha studiato un nuovo fenomeno quantistico chiamato fuochi d'artificio di Bose che abbiamo scoperto due anni fa, " Cheng Chin, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Il nostro articolo riporta la sua connessione nascosta a un fenomeno gravitazionale chiamato radiazione di Unruh".
L'effetto Unruh, o radiazioni Unruh, è strettamente connesso alla radiazione di Hawking. Nel 1974, il fisico teorico Stephen Hawking ha predetto che la forte forza gravitazionale vicino ai buchi neri porta all'emissione di una radiazione termica di particelle, che ricorda l'ondata di calore emessa da un forno. Questo fenomeno rimane speculativo senza alcuna conferma sperimentale diretta.
Pochi anni dopo, nel 1976, il fisico William Unruh ha ipotizzato che una persona possa osservare la stessa radiazione quando si muove con un'elevata accelerazione. L'equivalenza tra la radiazione di Hawking e quella di Unruh si basa sul principio di equivalenza di Einstein, che ora è stato confermato da molti esperimenti.
Nonostante le previsioni di Unruh, nessuno ha ancora osservato le radiazioni di Unruh, il che non sorprende, poiché questo fenomeno è particolarmente difficile da catturare. Infatti, una persona dovrebbe sopportare una forza G di 25 miliardi di miliardi (25*10 18 ) per vedere una debole radiazione di 1 Kelvin. Questo è un numero sorprendente se si considera che, ad esempio, la forza G sperimentata da un pilota di jet da combattimento non è superiore a 10.
"Nel nostro laboratorio, simuliamo la fisica di Unruh modulando con precisione un condensato di Bose-Einstein con il campo magnetico, " Chin ha detto. "Anche attraverso il nostro campione non si muove, la modulazione ha lo stesso effetto di portare il campione a un quadro di riferimento in accelerazione. Osserviamo radiazioni a 2 micro-Kelvin, e la misurazione concorda in modo eccellente con la previsione di Unruh e conferma la natura quantistica del campo di radiazione."
Nel loro esperimento, Chin e i suoi colleghi hanno preparato 60, 000 atomi di cesio e li ho raffreddati a circa 10 nano-Kelvin, quindi avviata la modulazione del campo magnetico. Pochi millisecondi dopo la modulazione, hanno osservato un'emissione termica di atomi in tutte le direzioni. Per confermare la distribuzione termica degli atomi, i ricercatori hanno raccolto un numero maggiore di campioni e hanno dimostrato che il numero di atomi fluttua proprio in base alla distribuzione termica di Boltzmann.
"Le temperature che abbiamo estratto dalle immagini concordano in modo eccellente con la previsione di Unruh, " disse Mento. "Oltre alla distribuzione termica, osserviamo anche la coerenza spaziale e temporale dell'emissione dell'onda di materia. La coerenza è il segno distintivo della meccanica quantistica e rivela che la radiazione di Unruh ha origine dalla meccanica quantistica. Questo è in netto contrasto con le classiche sorgenti di radiazione termica, come un forno o la luce del sole, che provengono dall'equilibrio termico."
Essenzialmente, Chin e i suoi colleghi hanno osservato un campo di onde di materia utilizzando un framework per simulazioni di fisica quantistica in frame non inerziali. Hanno osservato che le fluttuazioni dell'onda di questa materia, così come la coerenza di fase a lungo raggio e la sua coerenza temporale sono allineate con le previsioni di Unruh.
Lo studio condotto dal team di UChicago è stato finanziato dalla National Science Foundation, Ufficio di ricerca dell'esercito e Chicago MRSEC. Nel futuro, le loro osservazioni potrebbero avere importanti implicazioni per lo studio dei fenomeni quantistici in uno spaziotempo curvo.
"Il nostro metodo si applica a stati quantistici generici in sistemi di riferimento non inerziali. Nel nostro lavoro futuro, desideriamo identificare nuovi fenomeni quantistici in spazi-tempi curvi, " Chin ha detto. "Si è discusso molto se la relatività generale di Einstein è compatibile con la meccanica quantistica. Ci sono proposte, speculazioni e persino paradosso, e desideriamo condurre esperimenti che possano aiutare a capire meglio come funziona la meccanica quantistica negli spazi-tempi curvi".
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