Wordt de ruimte warm wanneer u versnelt? Natuurkundigen stellen een test voor van controversieel idee

Volgens het Unruh-effect ziet een versnelde waarnemer lege ruimte opwarmen.

lkuni / iStockphoto

Wordt de ruimte warm wanneer u versnelt? Natuurkundigen stellen een test voor van controversieel idee

Van Adrian ChoApr. 14, 2017, 3:00 AM

Meer dan 40 jaar geleden maakte een vooraanstaande relativiteitstheoreticus een verrassende voorspelling. Terwijl lege ruimte onmetelijk koud moet aanvoelen voor elke toeschouwer die met constante snelheid voorbijglijdt, zou iemand die aan het versnellen is, zeggen omdat hij op een raket rijdt, lege ruimte heet vinden. Dit zogenaamde Unruh-effect leek praktisch onmogelijk te meten, maar nu beweren vier theoretici dat ze een uitvoerbaar experiment hebben bedacht dat de onderliggende fysica kon bevestigen. Sceptici zeggen dat het zoiets niet zal doen om tegenstrijdige redenen.

"De hoop is dat dit sceptici zal overtuigen dat het hele ding coherent is", zegt Stephen Fulling, een theoretisch fysicus en wiskundige aan de Texas A&M University in College Station die niet bij het werk betrokken was. Maar Vladimir Belinski, een theoreticus bij het International Network of Centres for Relativistic Astrophysics in Pescara, Italië, zegt: "Het Unruh-effect is onzin, het is gebaseerd op een wiskundige fout."

Volgens Albert Einstein's speciale en algemene relativiteitstheorie kunnen dingen bizar verschillen van waarnemers die in beweging zijn ten opzichte van elkaar. Stel dat je naast een meterstok staat met een horloge om je pols. Als je vriend met bijna lichtsnelheid voorbij raast, ziet hij dat de stok korter is dan een meter en dat je horloge abnormaal langzaam tikt. Omgekeerd, als ze een meterstaaf bij zich heeft, zie je het samentrekken en, voor jou, zal haar horloge langzaam tikken.

Dingen worden nog vreemder als een waarnemer versnelt. Elke waarnemer die met een constante snelheid reist, meet de temperatuur van de lege ruimte als absoluut nul. Maar een versnelde waarnemer zal het vacuüm heter vinden. Tenminste, dat is wat William Unruh, een theoreticus aan de University British Columbia in Vancouver, Canada, in 1976 betoogde. Voor een niet-waarnemende waarnemer is het vacuüm verstoken van deeltjes - zodat als hij een deeltjesdetector vasthoudt, er geen klikken worden geregistreerd. Unruh betoogde daarentegen dat een versnelde waarnemer een mist van fotonen en andere deeltjes detecteert, omdat het aantal rondzwervende kwantumdeeltjes afhangt van de beweging van een waarnemer. Hoe groter de versnelling, hoe hoger de temperatuur van die mist of 'bad'.

Het effect is te zwak om direct te meten. Om de vacuümwarmte tot 1 K te zien, zou een waarnemer 100 quadriljoen keer sneller moeten versnellen dan de beste raket. Maar Daniel Vanzella, een theoreticus aan de Universiteit van São Paulo in São Carlos, Brazilië, en collega's beweren dat het mogelijk moet zijn om het belangrijkste te detecteren - de mist van fotonen gezien door de versnellende waarnemer - door het bestuderen van licht dat wordt uitgezonden door elektronen.

Hier is hoe dat zou werken: Stel dat je een groep elektronen lateraal over een magnetisch veld schiet. De basisfysica dicteert dat de elektronen cirkels in het veld zullen draaien. Pas nu een verticaal elektrisch veld toe om de elektronen ook een opwaartse duw te geven. Naast het circuleren, versnelt het stel wilsten ook opwaarts. De opstelling definieert dus twee referentiekaders. In het frame dat met de bos naar boven versnelt, draaien de elektronen cirkels (zie figuur). In het niet-versnellende "labframe" volgt de bos een uitgerekt kurkentrekkertraject.

Het Unruh-effect testen

Het voorgestelde experiment is een verhaal van twee referentiekaders.

V. Altounian / Science, aangepast van Adrian Cho

Vanzella en collega's beginnen hun analyse in het versnellende frame, waar ze aannemen dat de circulerende elektronen die mist van fotonen tegenkomen. De elektronen absorberen zowel fotonen van en stralen fotonen uit in de mist. Vreemd genoeg komt elke gebeurtenis in het versnelde frame waarin de elektronen een foton absorberen of uitzenden overeen met een gebeurtenis in het laboratoriumframe waarin de elektronen een foton uitzenden. De theoretici gebruiken relativiteitstheorie om het spectrum van uitgezonden fotonen in het labframe te voorspellen, zoals ze in Physical Review Letters in een krant rapporteren.

In het lab-frame, zo berekenen ze, zou het spectrum van uitgezonden fotonen bij lange golflengten een veelbetekenende overmaat moeten hebben - maar alleen als er in het begin een mist van fotonen in het versnellende frame was, zegt Vanzella. Grof gezegd verwarmt de mist van fotonen in het versnelde frame de elektronen en laat ze een beetje meer stralen in het labframe. Het experiment zou dus een manier bieden om te testen of het Unruh-effect bestaat: observeer het teveel aan fotonen met een lange golflengte in het laboratoriumframe en u weet dat de versnelde frame-ruimte vol is met fotonen.

Sceptici zeggen dat het experiment niet zal werken, maar ze zijn het niet eens over waarom. Als de situatie onjuist wordt geanalyseerd, is er geen mist van fotonen in het versnelde frame, zegt Detlev Buchholz, een theoreticus aan de Universiteit van G ttingen in Duitsland. "Het Unruh-gas bestaat niet!" hij zegt. Niettemin, zegt Buchholz, zal het vacuüm heet lijken voor een versnelde waarnemer, maar vanwege een soort wrijving die ontstaat door het samenspel van kwantumonzekerheid en versnelling. Het experiment kan dus het gewenste effect laten zien, maar dat zou de veronderstelde mist van fotonen in het versnellende frame niet onthullen.

Robert O'Connell daarentegen, een theoreticus aan de Louisiana State University in Baton Rouge, houdt vol dat er in het versnelde frame een mist van fotonen is. Hij beweert echter dat het niet mogelijk is om energie uit die mist te halen om extra straling in het laboratoriumframe te produceren. O'Connell citeert een basisfysica, de theorie van fluctuatie-dissipatie, die stelt dat een deeltje dat in wisselwerking staat met een warmtebad evenveel energie in het bad pompt als het eruit trekt. Hij beweert dus dat Unruh's mist van fotonen bestaat, maar het experiment zou toch niet het veronderstelde signaal moeten produceren.

De verdeeldheid opzij, George Matsas, een theoreticus ook aan de São Paulo State University en een auteur van het nieuwe artikel zegt dat hij op zoek is naar experimenteerders die geïnteresseerd zijn in het uitvoeren van de test. Het kan worden gedaan met deeltjesversnellers en elektromagneten die momenteel beschikbaar zijn, zegt Matsas. "De parameters in het artikel zijn realistisch gekozen", zegt hij. Zelfs als het experiment werkt zoals voorspeld, lijkt het debat over het Unruh-effect waarschijnlijk te smeulen.