Osservare l’elusivo effetto Unruh

Per i fan di “Star Wars”, le stelle striate viste dall’abitacolo del Millennium Falcon mentre salta nell’iperspazio rappresentano un’immagine canonica. Ma cosa vedrebbe effettivamente un pilota se potesse accelerare in un istante attraverso il vuoto dello spazio? Vedrebbe sicuramenteun caldo bagliore, secondo una previsione nota come effetto Unruh.

Dagli anni ’70, quando è stato proposto per la prima volta, l’effetto Unruh è sfuggito al rilevamento, poiché la probabilità di vedere l’effetto è infinitamente piccola e richiede accelerazioni incredibili o lunghi periodi di tempo di osservazione. Tuttavia, i ricercatori del MIT e dell’Università di Waterloo ritengono di aver scoperto un meccanismo per aumentare notevolmente la probabilità di osservare l’effetto Unruh, che descrivono in uno studio pubblicato il 26 aprile 2022 in Physical Review Letters.

Piuttosto che osservare l’effetto generato spontaneamente, come hanno tentato in passato i ricercatori precedenti, il team propone di stimolare il fenomeno, in un modo molto particolare che amplifica l’effetto Unruh sopprimendo altri effetti concorrenti. I ricercatori confrontano il loro concetto con il gettare un mantello dell’invisibilità su altri fenomeni convenzionali, rivelando, quindi, il molto meno evidente effetto Unruh.

Se potrà essere realizzato in un esperimento pratico, questo nuovo approccio stimolato, con un ulteriore livello di invisibilità (o “trasparenza indotta dall’accelerazione”, come descritto nel documento) potrebbe aumentare notevolmente la probabilità di osservare l’effetto Unruh. Invece di aspettare più a lungo dell’età dell’universo affinché una particella in accelerazione produca un caldo bagliore come previsto dall’effetto Unruh, l’approccio del team ridurrebbe il tempo di attesa a poche ore.

“Ora almeno sappiamo che c’è una possibilità nella nostra vita in cui potremmo effettivamente vedere questo effetto“, afferma il coautore dello studio Vivishek Sudhir, assistente professore di ingegneria meccanica al MIT, che sta progettando un esperimento per cogliere l’effetto basato sul teoria del gruppo “È un esperimento difficile e non vi è alcuna garanzia che saremmo in grado di farlo“.

I coautori dello studio includono anche Barbara Šoda e Achim Kempf dell’Università di Waterloo.

L’effetto Unruh è anche noto come effetto Fulling-Davies-Unruh, dal nome dei tre fisici che inizialmente lo proposero. La previsione afferma che un corpo che sta accelerando attraverso il vuoto dovrebbe infatti percepire la presenza di radiazioni calde puramente come effetto dell’accelerazione. Questo effetto ha a che fare con le interazioni quantistiche tra materia accelerata e fluttuazioni quantistiche all’interno del vuoto dello spazio.

Per produrre un bagliore sufficientemente caldo da poter essere misurato dai rivelatori, un corpo come un atomo dovrebbe accelerare alla velocità della luce in meno di un milionesimo di secondo. Tale accelerazione sarebbe equivalente a una forza g di un quadrilione di metri al secondo quadrato (il pilota di un jet da caccia sperimenta tipicamente una forza g di 10 metri al secondo quadrato).

“Per vedere questo effetto in un breve lasso di tempo, dovresti avere un’accelerazione incredibile“, dice Sudhir. “Se invece avessi una ragionevole accelerazione, dovresti aspettare una quantità enorme di tempo, più lunga dell’età dell’universo, per vedere un effetto misurabile“.

Quale sarebbe, allora, il punto? Per prima cosa, osservare l’effetto Unruh sarebbe una convalida delle interazioni quantistiche fondamentali tra materia e luce. Inoltre, il rilevamento potrebbe rappresentare uno specchio dell’effetto Hawking, una proposta del fisico Stephen Hawking che prevede un simile bagliore termico, o “radiazione Hawking“, dalle interazioni tra luce e materia in un campo gravitazionale estremo, come intorno a un buco nero.

“C’è una stretta connessione tra l’effetto Hawking e l’effetto Unruh: sono esattamente l’effetto complementare l’uno dell’altro“, dice Sudhir, che aggiunge che se si osservasse l’effetto Unruh, “si osserverebbe un meccanismo che è comune a entrambi gli effetti”.

Una traiettoria trasparente

Si prevede che l’effetto Unruh si verifichi spontaneamente nel vuoto. Secondo la teoria quantistica dei campi, un vuoto non è semplicemente uno spazio vuoto, ma piuttosto un campo di fluttuazioni quantistiche, con ciascuna banda di frequenza che misura circa la dimensione di mezzo fotone. Unruh ha previsto che un corpo che accelera attraverso il vuoto dovrebbe amplificare queste fluttuazioni, in un modo che produce un caldo bagliore termico di particelle.

Nel loro studio, i ricercatori hanno introdotto un nuovo approccio per aumentare la probabilità dell’effetto Unruh, aggiungendo luce all’intero scenario, un approccio noto come stimolazione.

“Quando aggiungi fotoni nel campo, aggiungi ‘n’ volte più di quelle fluttuazioni rispetto a questo mezzo fotone che è nel vuoto“, spiega Sudhir. “Quindi, se acceleri attraverso questo nuovo stato del campo, ti aspetteresti di vedere effetti che scalano ‘n’ volte quelli che vedresti solo dal vuoto“.

Tuttavia, oltre all’effetto quantistico Unruh, i fotoni aggiuntivi potrebbero amplificare anche altri effetti nel vuoto, un grave inconveniente che ha impedito ad altri cacciatori dell’effetto Unruh di adottare l’approccio di stimolazione.

Šoda, Sudhir e Kempf, tuttavia, hanno trovato una soluzione alternativa, attraverso la “trasparenza indotta dall’accelerazione“, un concetto che introducono nel documento. Hanno dimostrato teoricamente che se un corpo come un atomo potesse essere fatto accelerare con una traiettoria molto specifica attraverso un campo di fotoni, l’atomo interagirebbe con il campo in modo tale che i fotoni di una certa frequenza apparirebbero essenzialmente invisibili all’atomo.

“Quando stimoliamo l’effetto Unruh, allo stesso tempo stimoliamo anche gli effetti convenzionali o risonanti, ma dimostriamo che ingegnerizzando la traiettoria della particella, possiamo essenzialmente disattivare quegli effetti“, afferma Šoda. Rendendo trasparenti tutti gli altri effetti, i ricercatori potrebbero quindi avere maggiori possibilità di misurare i fotoni, o la radiazione termica proveniente dal solo effetto Unruh, come previsto dai fisici.

I ricercatori hanno già alcune idee su come progettare un esperimento basato sulla loro ipotesi. Hanno in programma di costruire un acceleratore di particelle in grado di accelerare un elettrone fino ad avvicinarsi alla velocità della luce, che stimolerebbero, quindi, utilizzando un raggio laser a lunghezze d’onda delle microonde. Stanno cercando modi per progettare il percorso dell’elettrone per sopprimere gli effetti classici, amplificando l’elusivo effetto Unruh.

“Ora abbiamo questo meccanismo che sembra amplificare statisticamente questo effetto attraverso la stimolazione“, afferma Sudhir. “Dati i 40 anni di storia di questo problema, ora in teoria abbiamo risolto il collo di bottiglia più grande“.

Riferimento: “Acceleration-Induced Effects in Stimulated Light-Matter Interactions” di Barbara Šoda, Vivishek Sudhir e Achim Kempf, 21 aprile 2022, Physical Review Letters .
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.163603