By: Detectores interferométricos Unruh para condensados de Bose-Einstein” por Cisco Gooding, Steffen Biermann, Sebastian Erne, Jorma Louko, William G. Unruh, Joerg Schmiedmayer y Silke Weinfurtner, 20 de noviembre de 2020, Physical Review Letters .
Los investigadores han desarrollado una nueva teoría para observar un vacío cuántico que podría conducir a nuevos conocimientos sobre el comportamiento de los agujeros negros.
El efecto Unruh combina la física cuántica y la teoría de la relatividad. Hasta ahora no ha sido posible medirlo u observarlo, pero ahora una nueva investigación de un equipo liderado por la Universidad de Nottingham ha arrojado luz sobre cómo esto podría lograrse utilizando partículas de sonido. La investigación del equipo se ha publicado hoy en la revista Physical Review Letters .
El efecto Unruh sugiere que si vuela a través de un vacío cuántico con una aceleración extrema, el vacío ya no parece un vacío: más bien, parece un baño caliente lleno de partículas. Este fenómeno está estrechamente relacionado con la radiación de Hawking de los agujeros negros.
Un equipo de investigación del Laboratorio de Agujeros Negros de la Universidad de Nottingham en colaboración con la Universidad de Columbia Británica y la Universidad de Tecnología de Viena ha demostrado que en lugar de estudiar el espacio vacío en el que las partículas se vuelven visibles repentinamente al acelerar, se puede crear una nube bidimensional de átomos ultrafríos (condensado de Bose-Einstein) en los que las partículas de sonido, fonones, se vuelven audibles para un observador acelerado en el vacío silencioso de fonones. El sonido no es creado por el detector, más bien está escuchando lo que está allí solo por la aceleración (un detector no acelerado todavía no escucharía nada).
El vacío está lleno de partículas
Una de las ideas básicas de la teoría de la relatividad de Albert Einstein es: Los resultados de la medición pueden depender del estado de movimiento del observador. ¿Qué tan rápido pasa un reloj? ¿Cuánto mide un objeto? ¿Cuál es la longitud de onda de un rayo de luz? No hay una respuesta universal a esto, el resultado es relativo, depende de qué tan rápido se mueva el observador. Pero, ¿qué pasa con la pregunta de si cierta área del espacio está vacía o no? ¿No deberían al menos dos observadores estar de acuerdo en eso?
No, porque lo que parece un vacío perfecto para un observador puede ser un enjambre turbulento de partículas y radiación para el otro. El efecto Unruh, descubierto en 1976 por William Unruh, dice que para un observador fuertemente acelerado, el vacío tiene una temperatura. Esto se debe a las llamadas partículas virtuales, que también son responsables de otros efectos importantes, como la radiación de Hawking, que provoca la evaporación de los agujeros negros.
“Observar el efecto Unruh directamente, como lo describió William Unruh, es completamente imposible para nosotros hoy”, explica el Dr. Sebastian Erne, quien vino de la Universidad de Nottingham al Instituto Atómico de la Universidad Tecnológica de Viena como becario ESQ. Hace meses. “Necesitaría un dispositivo de medición acelerado a casi la velocidad de la luz en un microsegundo para ver incluso un pequeño efecto Unruh, no podemos hacer eso”. Sin embargo, hay otra forma de conocer este extraño efecto: utilizando los denominados simuladores cuánticos.
Simuladores cuánticos
“Muchas leyes de la física cuántica son universales. Se puede demostrar que ocurren en sistemas muy diferentes. Se pueden usar las mismas fórmulas para explicar sistemas cuánticos completamente diferentes ”, dice Jörg Schmiedmayer de la Universidad Tecnológica de Viena. “Esto significa que a menudo se puede aprender algo importante sobre un sistema cuántico en particular mediante el estudio de un sistema cuántico diferente”.
“Simular un sistema con otro ha sido especialmente útil para comprender los agujeros negros, ya que los agujeros negros reales son efectivamente inaccesibles”, enfatiza el Dr. Cisco Gooding del laboratorio Black Hole. “Por el contrario, los agujeros negros analógicos se pueden producir fácilmente aquí mismo en el laboratorio”.
Esto también es cierto para el efecto Unruh: si la versión original no se puede demostrar por razones prácticas, entonces se puede crear y examinar otro sistema cuántico para ver el efecto allí.
Nubes atómicas y rayos láser
Así como una partícula es una “perturbación” en el espacio vacío, existen perturbaciones en el condensado frío de Bose-Einstein: pequeñas irregularidades (ondas sonoras) que se esparcen en ondas. Como se ha demostrado ahora, tales irregularidades deberían poder detectarse con rayos láser especiales. Usando trucos especiales, el condensado de Bose-Einstein se ve mínimamente perturbado por la medición, a pesar de la interacción con la luz láser.
Jörg Schmiedmayer explica: “Si mueves el rayo láser, de modo que el punto de iluminación se mueva sobre el condensado de Bose-Einstein, eso corresponde al observador que se mueve a través del espacio vacío. Si guía el rayo láser en un movimiento acelerado sobre la nube atómica, entonces debería poder detectar perturbaciones que no se ven en el caso estacionario, al igual que un observador acelerado en el vacío percibiría un baño de calor que no está allí para el observador estacionario “.
“Hasta ahora, el efecto Unruh era una idea abstracta”, dice la profesora Silke Weinfurtner, quien dirige el laboratorio Black Hole en la Universidad de Nottingham, “Muchos habían perdido la esperanza de una verificación experimental. La posibilidad de incorporar un detector de partículas en una simulación cuántica nos dará nuevos conocimientos sobre modelos teóricos que de otro modo no serían accesibles experimentalmente. “
La planificación preliminar ya está en marcha para llevar a cabo una versión del experimento utilizando helio superfluido en la Universidad de Nottingham. “Es posible, pero requiere mucho tiempo y hay obstáculos técnicos que debemos superar”, explica Jörg Schmiedmayer. “Pero sería una manera maravillosa de aprender acerca de un efecto importante que antes se pensaba que era prácticamente inobservable”.
