Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Кванттық өріс теориясының үдемелі бақылаушы үшін кинематикалық болжамы.
Kinematic prediction of quantum field theory for an accelerating observer
Унрух эффектісі (сонымен қатар Фуллинг-Дэвис-Унрух эффектісі деп те аталады) – кванттық өріс теориясындағы бірқалыпты үдемелі қозғалыс жасайтын бос кеңістіктегі бақылаушы жылулық ваннаны сезінеді деген теориялық болжам. Яғни, сыртқы жылу көздері болмаған жағдайда да, үдемелі бақылаушы бөлшектерді анықтайды және температураны сезінеді. Ал, сол уақыт-кеңістік аймағындағы инерциялық бақылаушы температураны байқамайды. Басқаша айтқанда, фон үдемелі санақ жүйесінен жылы болып көрінеді. Жай ғалым емес адам үшін түсіндірсек, бос кеңістікте (мысалы, махаббатпен толқығандай) қозғалатын термометр, температурасына ешқандай қосымша факторлардың әсері болмаса, тек өзінің үдемелі қозғалысынан ғана нөлдік емес температураны тіркейді. Эвристикалық тұрғыдан алғанда, біркелкі үдемелі бақылаушы үшін инерциялық бақылаушының негізгі күйі термодинамикалық тепе-теңдіктегі нөлдік емес температуралы ваннадағы аралас күй ретінде көрінеді. Унрух эффектісін алғаш рет 1973 жылы Стивен Фуллинг, 1975 жылы Пол Дэвис және 1976 жылы В.Г. Унрух сипаттады. Қазіргі таңда Унрух эффектісінің нақты байқалғаны әлі анық емес, себебі мәлімделген байқаулар күмәнді. Сонымен қатар, Унрух эффектісінің Унрух сәулеленуінің бар екендігіне де күмән бар.
The Unruh effect (also known as the Fulling–Davies–Unruh effect) is a theoretical prediction in quantum field theory that an observer who is uniformly accelerating through empty space will perceive a thermal bath. This means that even in the absence of any external heat sources, an accelerating observer will detect particles and experience a temperature. In contrast, an inertial observer in the same region of spacetime would observe no temperature. In other words, the background appears to be warm from an accelerating reference frame. In layperson's terms, an accelerating thermometer in empty space (like one being waved around), without any other contribution to its temperature, will record a non zero temperature, just from its acceleration. Heuristically, for a uniformly accelerating observer, the ground state of an inertial observer is seen as a mixed state in thermodynamic equilibrium with a non zero temperature bath. The Unruh effect was first described by Stephen Fulling in 1973, Paul Davies in 1975 and W. G. Unruh in 1976. It is currently not clear whether the Unruh effect has actually been observed, since the claimed observations are disputed. There is also some doubt about whether the Unruh effect implies the existence of Unruh radiation.
Түсіндірме
Унру теориялық тұрғыдан вакуум тұжырымының уақыт-кеңістік арқылы бақылаушының траекториясына байланысты екенін көрсетті. Үдемелі бақылаушының көзқарасынан, инерциялық бақылаушының вакуумы жылулық тепе-теңдікте көптеген бөлшектерді қамтитын күйге ұқсайды – жылу газ. Унру эффектісі тек үдемелі бақылаушыға ғана көрінеді. Ал Унру эффектісі бастапқыда интуицияға қарсы болғанымен, вакуум сөзін келесідей нақты түсіндіргенде мәні бар. Кванттық өріс теориясында "вакуум" тұжырымы "бос кеңістік" сияқты емес: кеңістік ғаламды құрайтын квантталған өрістермен толтырылған. Вакуум – бұл осы өрістердің ең төменгі энергиялық күйі. Кез келген квантталған өрістің энергиялық күйлері жергілікті жағдайларға, соның ішінде уақыт координатасына негізделген Гамильтонианмен анықталады. Арнайы салыстырмалылық теориясына сәйкес, бір-біріне қатысты қозғалатын екі бақылаушы әртүрлі уақыт координаттарын пайдалануы керек. Егер бақылаушылар үдемелі болса, ортақ координаттар жүйесі болмауы мүмкін. Сондықтан бақылаушылар әртүрлі кванттық күйлерді және әртүрлі вакуумдарды көреді. Кейбір жағдайларда бір бақылаушының вакуумы тіпті екінші бақылаушының кванттық күйлері кеңістігінде де болмайды. Техникалық тұрғыдан алғанда, бұл екі вакуум кванттық өрістің каноникалық коммутациялық қатынастарының бір-біріне тең емес бейнелеулеріне алып келеді. Бұл екі өзара үдемелі бақылаушының олардың координат таңдауларына байланысты жалпыға бірдей анықталған координаттық түрлендіруді таба алмауы мүмкін. Үдемелі бақылаушы оқиғалар көкжиегінің қалыптасуын байқайды (Риндлер кеңістік-уақытын қараңыз). Унру сәулеленуінің болуы осы көрінетін оқиғалар көкжиегімен байланысты болуы мүмкін, оны Хокинг сәулеленуі сияқты тұжырымдық шеңберге орналастырады. Екінші жағынан, Унру эффектісінің теориясы "бөлшек" дегеннің неден тұратынының бақылаушының қозғалыс күйіне байланысты екенін түсіндіреді. Бос өрісті құру және жою операторларын анықтамас бұрын оң және теріс жиілік компоненттеріне бөлу қажет. Бұл тек уақыт кеңістігінде уақытқа ұқсас өлтіру векторлық өрісі болғанда ғана мүмкін. Бұл ыдырау Картезиандық және Риндлер координаттарында әртүрлі болады (екеуі Боголюбов түрлендіруімен байланысты болса да). Бұл "бөлшек санының" екі координаттарда да әртүрлі болуын түсіндіреді. Риндлер кеңістік-уақытында көкжиек бар, ал жергілікті кез келген экстремалды емес қара тесік көкжиегі – Риндлер. Сондықтан Риндлер кеңістік-уақыты қара тесіктердің және космологиялық көкжиектердің жергілікті қасиеттерін береді. Бұл аймақтармен шектелген метриканы Риндлер метрикасын алу үшін қайта реттеуге болады. Ондағы Унру эффектісі Хокинг сәулеленуінің көкжиекке жақын түрі болады. Сондай-ақ, Унру эффектісі де Ситтер кеңістігінде болуы күтілуде. Маңыздысы, Унру эффектісі тек біркелкі үдемелі бақылаушылар үшін вакуумдық күйдің температурасымен сипатталатын жылулық күй екенін айту керек, және жылулық күйге немесе ваннаға тым көп мән беруден аулақ болу керек. Бір температурадағы әртүрлі жылулық күйлер немесе ванналар бірдей болуы міндетті емес, өйткені олар жүйені сипаттайтын Гамильтонианға байланысты. Атап айтқанда, кванттық өрістің вакуумдық күйінде үдемелі бақылаушылар көретін жылулық ванна, инерциялық бақылаушылар бойынша бірдей температурадағы сол өрістің жылулық күйімен бірдей емес. Сонымен қатар, біркелкі үдемелі, бір-біріне қатысты тұрақты бақылаушылар әртүрлі нақты үдемелерге ие болуы мүмкін (олардың арақашықтығына байланысты), бұл релятивистік қызыл ығысу эффектісінің тікелей салдары. Бұл Унру температурасын біркелкі үдемелі жүйеде кеңістікте біртекті емес етеді.
Unruh demonstrated theoretically that the notion of vacuum depends on the path of the observer through spacetime. From the viewpoint of the accelerating observer, the vacuum of the inertial observer will look like a state containing many particles in thermal equilibrium—a warm gas. The Unruh effect would only appear to an accelerating observer. And although the Unruh effect would initially be perceived as counter intuitive, it makes sense if the word vacuum is interpreted in the following specific way. In quantum field theory, the concept of "vacuum" is not the same as "empty space": Space is filled with the quantized fields that make up the universe. Vacuum is simply the lowest possible energy state of these fields. The energy states of any quantized field are defined by the Hamiltonian, based on local conditions, including the time coordinate. According to special relativity, two observers moving relative to each other must use different time coordinates. If those observers are accelerating, there may be no shared coordinate system. Hence, the observers will see different quantum states and thus different vacua. In some cases, the vacuum of one observer is not even in the space of quantum states of the other. In technical terms, this comes about because the two vacua lead to unitarily inequivalent representations of the quantum field canonical commutation relations. This is because two mutually accelerating observers may not be able to find a globally defined coordinate transformation relating their coordinate choices. An accelerating observer will perceive an apparent event horizon forming (see Rindler spacetime). The existence of Unruh radiation could be linked to this apparent event horizon, putting it in the same conceptual framework as Hawking radiation. On the other hand, the theory of the Unruh effect explains that the definition of what constitutes a "particle" depends on the state of motion of the observer. The free field needs to be decomposed into positive and negative frequency components before defining the creation and annihilation operators. This can only be done in spacetimes with a timelike Killing vector field. This decomposition happens to be different in Cartesian and Rindler coordinates (although the two are related by a Bogoliubov transformation). This explains why the "particle numbers", which are defined in terms of the creation and annihilation operators, are different in both coordinates. The Rindler spacetime has a horizon, and locally any non extremal black hole horizon is Rindler. So the Rindler spacetime gives the local properties of black holes and cosmological horizons. It is possible to rearrange the metric restricted to these regions to obtain the Rindler metric. The Unruh effect would then be the near horizon form of Hawking radiation. The Unruh effect is also expected to be present in de Sitter space. It is worth stressing that the Unruh effect only says that, according to uniformly accelerated observers, the vacuum state is a thermal state specified by its temperature, and one should resist reading too much into the thermal state or bath. Different thermal states or baths at the same temperature need not be equal, for they depend on the Hamiltonian describing the system. In particular, the thermal bath seen by accelerated observers in the vacuum state of a quantum field is not the same as a thermal state of the same field at the same temperature according to inertial observers. Furthermore, uniformly accelerated observers, static with respect to each other, can have different proper accelerations a (depending on their separation), which is a direct consequence of relativistic red shift effects. This makes the Unruh temperature spatially inhomogeneous across the uniformly accelerated frame.
Басқа да әсерлері
Сонымен қатар, Унрух эффектісі үдеп бара жатқан бөлшектердің ыдырау жылдамдығын инерциялық бөлшектерден өзгеше етеді. Электрон сияқты тұрақты бөлшектер, жеткілікті үдеуге ие болғанда, жоғары массалық күйлерге өтудің нөлдік емес жылдамдықтарына ие болуы мүмкін.
The Unruh effect would also cause the decay rate of accelerating particles to differ from inertial particles. Stable particles like the electron could have nonzero transition rates to higher mass states when accelerating at a high enough rate.
Унру радиациясы
Унрухтың үдеп бара жатқан детектор жылу ваннасын көреді деген болжамы күмәнді емес, бірақ үдемеген санақ жүйесіндегі детектордағы өтулердің түсіндірілуі күмәнді. Көпшілік, бірақ барлығы емес, детектордағы әрбір өтудің бөлшектің шығарылуымен бірге болатынына және бұл бөлшектің шексіздікке таралып, Унрух сәулеленуі ретінде көрінетініне сенеді. Унрух сәулеленуінің бар екендігі баршаға мәлім емес. Смолянинов оны бұрын байқағандарын алға тартады, ал О'Коннелл мен Форд оның мүлдем шығарылмайтынын айтады. Бұл күмәнданғандар үдеген дененің Унрух температурасында жылуланатынын мойындаса да, бұл фотондардың шығарылуына әкеледі деп сенбейді, олар үдеген бөлшектің шығарылу және сіңіру жылдамдықтары теңгерілгенін айтады.
Although Unruh's prediction that an accelerating detector would see a thermal bath is not controversial, the interpretation of the transitions in the detector in the non accelerating frame is. It is widely, although not universally, believed that each transition in the detector is accompanied by the emission of a particle, and that this particle will propagate to infinity and be seen as Unruh radiation. The existence of Unruh radiation is not universally accepted. Smolyaninov claims that it has already been observed, while O'Connell and Ford claim that it is not emitted at all. While these skeptics accept that an accelerating object thermalizes at the Unruh temperature, they do not believe that this leads to the emission of photons, arguing that the emission and absorption rates of the accelerating particle are balanced.
Эксперименттік байқау
Зерттеушілер Соколов-Тернов әсерін сәтті анықтаған эксперименттер белгілі бір жағдайларда Унрух әсерін де анықтауы мүмкін екенін мәлімдейді. 2011 жылғы теориялық жұмыстар, қазіргі технологиямен Унрух әсерін тікелей анықтау үшін үдетілген детекторларды пайдалануға болатынын көрсетеді. Унрух эффектісі алғаш рет 2019 жылы ЦЕРН-дегі NA63 эксперименті зерттеген жоғары энергиялы арналық сәулеленуде байқалған болуы мүмкін.
Researchers claim experiments that successfully detected the Sokolov–Ternov effect may also detect the Unruh effect under certain conditions. Theoretical work in 2011 suggests that accelerating detectors could be used for the direct detection of the Unruh effect with current technology. The Unruh effect may have been observed for the first time in 2019 in the high energy channeling radiation explored by the NA63 experiment at CERN.