I ricercatori hanno sviluppato una nuova teoria per osservare un vuoto quantistico che potrebbe portare a nuove intuizioni sul comportamento dei buchi neri.

L'effetto Unruh combina la fisica quantistica e la teoria della relatività. Finora non è stato possibile misurarlo o osservarlo, ma ora una nuova ricerca di un team guidato dall'Università di Nottingham ha fatto luce su come ciò potrebbe essere ottenuto utilizzando particelle sonore. La ricerca del team è stata pubblicata oggi sulla rivista Lettere di revisione fisica .

L'effetto Unruh suggerisce che se voli attraverso un vuoto quantistico con estrema accelerazione, il vuoto non sembra più un vuoto:anzi, sembra un bagno caldo pieno di particelle. Questo fenomeno è strettamente correlato alla radiazione di Hawking dei buchi neri.

Un gruppo di ricerca del Black Hole Laboratory dell'Università di Nottingham in collaborazione con la University of British Columbia e la Vienna University of Technology ha dimostrato che invece di studiare lo spazio vuoto in cui le particelle diventano improvvisamente visibili quando accelerano, puoi creare una nuvola bidimensionale di atomi ultrafreddi (condensato di Bose-Einstein) in cui le particelle sonore, fononi, diventano udibili da un osservatore accelerato nel vuoto fononico silenzioso. Il suono non viene creato dal rilevatore, piuttosto sta sentendo ciò che c'è solo a causa dell'accelerazione (un rilevatore non accelerato non sentirebbe comunque nulla).

Il vuoto è pieno di particelle

Una delle idee di base della teoria della relatività di Albert Einstein è:i risultati delle misurazioni possono dipendere dallo stato di movimento dell'osservatore. Quanto ticchetta un orologio? Quanto è lungo un oggetto? Qual è la lunghezza d'onda di un raggio di luce? Non c'è una risposta universale a questo, il risultato è relativo:dipende dalla velocità con cui si muove l'osservatore. Ma che dire della questione se una certa area dello spazio è vuota o no? Almeno due osservatori non dovrebbero essere d'accordo su questo?

No, perché quello che sembra un vuoto perfetto per un osservatore può essere uno sciame turbolento di particelle e radiazioni per l'altro. L'effetto Unruh, scoperto nel 1976 da William Unruh, dice che per un osservatore fortemente accelerato il vuoto ha una temperatura. Ciò è dovuto alle cosiddette particelle virtuali, che sono anche responsabili di altri importanti effetti, come la radiazione di Hawking, che fa evaporare i buchi neri.

"Per osservare direttamente l'effetto Unruh, come lo descrisse William Unruh, è del tutto impossibile per noi oggi, " spiega il Dr. Sebastian Erne, che è venuto dall'Università di Nottingham all'Istituto Atomico dell'Università di Tecnologia di Vienna come ESQ Fellow alcuni mesi fa. "Avresti bisogno di un dispositivo di misurazione accelerato quasi alla velocità della luce in un microsecondo per vedere anche un piccolo effetto Unruh - non possiamo farlo." Tuttavia, c'è un altro modo per conoscere questo strano effetto:usare i cosiddetti simulatori quantistici.

Simulatori quantistici

"Molte leggi della fisica quantistica sono universali. Si può dimostrare che si verificano in sistemi molto diversi. Si possono usare le stesse formule per spiegare sistemi quantistici completamente diversi, " dice Jörg Schmiedmayer dell'Università di Tecnologia di Vienna. "Ciò significa che spesso puoi imparare qualcosa di importante su un particolare sistema quantistico studiando un diverso sistema quantistico".

"Simulare un sistema con un altro è stato particolarmente utile per comprendere i buchi neri, poiché i veri buchi neri sono effettivamente inaccessibili, " sottolinea il dott. Cisco Gooding del laboratorio Black Hole. "Al contrario, i buchi neri analogici possono essere facilmente prodotti proprio qui in laboratorio".

Questo vale anche per l'effetto Unruh:se la versione originale non può essere dimostrata per ragioni pratiche, quindi un altro sistema quantistico può essere creato ed esaminato per vedere l'effetto lì.

Nubi atomiche e raggi laser

Proprio come una particella è un "disturbo" nello spazio vuoto, ci sono disturbi nel condensato freddo di Bose-Einstein, piccole irregolarità (onde sonore) che si diffondono in onde. Come è stato ora dimostrato, tali irregolarità dovrebbero essere rilevabili con speciali raggi laser. Usando trucchi speciali, il condensato di Bose-Einstein è minimamente disturbato dalla misurazione, nonostante l'interazione con la luce laser.

Jörg Schmiedmayer spiega:"Se muovi il raggio laser, in modo che il punto di illuminazione si sposti sul condensato di Bose-Einstein, che corrisponde all'osservatore che si muove nello spazio vuoto. Se guidi il raggio laser in movimento accelerato sulla nuvola atomica, allora dovresti essere in grado di rilevare disturbi che non si vedono nel caso stazionario, proprio come un osservatore accelerato nel vuoto percepirebbe un bagno di calore che non c'è per l'osservatore stazionario."

"Fino ad ora, l'effetto Unruh era un'idea astratta, " dice il professor Silke Weinfurtner che dirige il laboratorio Black Hole all'Università di Nottingham, "Molti avevano rinunciato alla speranza della verifica sperimentale. La possibilità di incorporare un rivelatore di particelle in una simulazione quantistica ci darà nuove intuizioni su modelli teorici che altrimenti non sarebbero accessibili sperimentalmente."?

È già in corso la pianificazione preliminare per realizzare una versione dell'esperimento utilizzando l'elio superfluido presso l'Università di Nottingham. "È possibile, ma richiede molto tempo e ci sono ostacoli tecnici da superare per noi, " spiega Jörg Schmiedmayer. "Ma sarebbe un modo meraviglioso per conoscere un effetto importante che in precedenza si pensava fosse praticamente inosservabile".