Un nuovo esperimento sulla velocità di curvatura potrebbe finalmente offrire un test indiretto della più famosa previsione del famoso fisico Stephen Hawking sui buchi neri.
La nuova proposta suggerisce che, spingendo an atomo per diventare invisibili, gli scienziati potrebbero intravedere l’etereo quantistico bagliore che avvolge gli oggetti che viaggiano vicino alla velocità della luce.
L’effetto bagliore, chiamato effetto Unruh (o Fulling-Davies-Unruh), fa sì che lo spazio intorno agli oggetti in rapida accelerazione venga apparentemente riempito da uno sciame di particelle virtuali, immergendo quegli oggetti in un caldo bagliore. Poiché l’effetto è strettamente correlato all’effetto Hawking – in cui particelle virtuali note come radiazione di Hawking compaiono spontaneamente ai bordi dei buchi neri – gli scienziati sono stati a lungo ansiosi di individuarne uno come un indizio dell’esistenza dell’altro.
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Ma individuare entrambi gli effetti è incredibilmente difficile. La radiazione di Hawking si verifica solo attorno al terrificante precipizio di un buco nero e ottenere l’accelerazione necessaria per l’effetto Unruh richiederebbe probabilmente un motore a curvatura. Ora, una nuova proposta rivoluzionaria, pubblicata in uno studio del 26 aprile sulla rivista Lettere di revisione fisica, potrebbe cambiarlo. I suoi autori affermano di aver scoperto un meccanismo per aumentare notevolmente la forza dell’effetto Unruh attraverso una tecnica che può effettivamente girare importa invisibile.
“Ora almeno sappiamo che c’è una possibilità nella nostra vita in cui potremmo effettivamente vedere questo effetto”, il coautore Vivishek Sudhir, assistente professore di ingegneria meccanica al MIT e progettista del nuovo esperimento, detto in una dichiarazione. “È un esperimento difficile e non vi è alcuna garanzia che saremmo in grado di farlo, ma questa idea è la nostra speranza più vicina”.
Proposto per la prima volta dagli scienziati negli anni ’70, l’effetto Unruh è una delle tante previsioni emerse dalla teoria quantistica dei campi. Secondo questa teoria, non esiste un vuoto vuoto. In effetti, ogni sacca di spazio è stipata di infinite vibrazioni su scala quantistica che, se fornite di energia sufficiente, possono eruttare spontaneamente in coppie particella-antiparticella che quasi immediatamente si annientano a vicenda. E qualsiasi particella, sia essa materia o luce, è semplicemente un’eccitazione localizzata di questo campo quantistico.
Nel 1974, Stephen Hawking predisse che l’estrema forza gravitazionale percepita ai bordi dei buchi neri – i loro orizzonti degli eventi – avrebbe creato anche particelle virtuali.
Gravità, secondo la teoria generale di Einstein relativitàdistorce spazio tempoin modo che i campi quantistici diventino tanto più deformati quanto più si avvicinano all’immenso rimorchiatore gravitazionale di un buco nero singolarità. A causa dell’incertezza e della stranezza della meccanica quantistica, questo deforma il campo quantistico, creando sacche irregolari di tempo che si muove in modo diverso e successivi picchi di energia attraverso il campo. Sono questi disallineamenti energetici che fanno emergere particelle virtuali da ciò che sembra essere nulla ai margini dei buchi neri.
“Si ritiene che i buchi neri non siano del tutto neri”, l’autrice principale Barbara Šoda, una studentessa di dottorato in fisica presso l’Università di Waterloo in Canada, detto in una dichiarazione. “Invece, come ha scoperto Stephen Hawking, i buchi neri dovrebbero emettere radiazioni”.
Proprio come l’effetto Hawking, anche l’effetto Unruh crea particelle virtuali attraverso la strana fusione della meccanica quantistica e gli effetti relativistici previsti da Einstein. Ma questa volta, invece delle distorsioni causate dai buchi neri e dalla teoria della relatività generale, provengono da velocità della luce vicine e dalla relatività speciale, che impone che il tempo scorra più lentamente più un oggetto si avvicina alla velocità della luce.
Secondo la teoria quantistica, un atomo stazionario può aumentare la sua energia solo aspettando che un fotone reale ecciti uno dei suoi elettroni. Per un atomo in accelerazione, tuttavia, le fluttuazioni nel campo quantistico possono sommarsi per sembrare dei veri fotoni. Dal punto di vista di un atomo in accelerazione, si muoverà attraverso una folla di particelle di luce calda, che lo riscaldano tutte. Questo calore sarebbe un segno rivelatore dell’effetto Unruh.
Ma le accelerazioni richieste per produrre l’effetto sono ben oltre la potenza di qualsiasi acceleratore di particelle esistente. Un atomo dovrebbe accelerare alla velocità della luce in meno di un milionesimo di secondo – sperimentando una forza agg di un quadrilione di metri al secondo quadrato – per produrre un bagliore abbastanza caldo da essere individuato dai rilevatori di corrente.
“Per vedere questo effetto in un breve lasso di tempo, dovresti avere un’accelerazione incredibile”, ha detto Sudhir. “Se invece avessi una ragionevole accelerazione, dovresti aspettare una quantità enorme di tempo, più lunga dell’età del universo — per vedere un effetto misurabile.”
Per rendere realizzabile l’effetto, i ricercatori hanno proposto un’alternativa ingegnosa. Le fluttuazioni quantistiche sono rese più dense dai fotoni, il che significa che un atomo fatto muovere nel vuoto mentre viene colpito dalla luce di un laser ad alta intensità potrebbe, in teoria, produrre l’effetto Unruh, anche ad accelerazioni abbastanza piccole. Il problema, tuttavia, è che l’atomo potrebbe anche interagire con la luce laser, assorbendola per aumentare il livello di energia dell’atomo, producendo calore che attutirebbe il calore generato dall’effetto Unruh.
Ma i ricercatori hanno trovato un’altra soluzione alternativa: una tecnica che chiamano trasparenza indotta dall’accelerazione. Se l’atomo è costretto a seguire un percorso molto specifico attraverso un campo di fotoni, l’atomo non sarà in grado di “vedere” i fotoni di una certa frequenza, rendendoli essenzialmente invisibili all’atomo. Quindi, collegando a margherita tutte queste soluzioni alternative, il team sarebbe quindi in grado di testare l’effetto Unruh a questa specifica frequenza di luce.
Rendere quel piano una realtà sarà un compito difficile. Gli scienziati hanno in programma di costruire un acceleratore di particelle delle dimensioni di un laboratorio che accelererà un elettrone alla velocità della luce mentre lo colpisce con un raggio di microonde. Se sono in grado di rilevare l’effetto, hanno in programma di condurre esperimenti con esso, in particolare quelli che consentiranno loro di esplorare le possibili connessioni tra la teoria della relatività di Einstein e la meccanica quantistica.
“La teoria della relatività generale e la teoria della meccanica quantistica sono attualmente ancora in qualche modo in contrasto, ma ci deve essere una teoria unificante che descriva come funzionano le cose nell’universo”, il coautore Achim Kempf, professore di matematica applicata presso il Università di Waterloo, detto in una dichiarazione. “Abbiamo cercato un modo per unire queste due grandi teorie e questo lavoro ci sta aiutando ad avvicinarci aprendo opportunità per testare nuove teorie contro esperimenti”.
Originariamente pubblicato su Live Science.
