Введение
Кинематическое предсказание квантовой теории поля для ускоряющегося наблюдателя
Эффект Унру (также известный как эффект Фуллинга — Дэвиса — Унру) — это теоретическое предсказание квантовой теории поля, согласно которому наблюдатель, равномерно ускоряющийся в пустом пространстве, будет воспринимать тепловую ванну. Это означает, что даже при отсутствии каких-либо внешних источников тепла ускоряющийся наблюдатель обнаружит частицы и ощутит температуру. В отличие от этого, инерциальный наблюдатель в той же области пространства-времени не будет наблюдать никакой температуры. Иными словами, фон представляется тёплым с точки зрения ускоряющейся системы отсчёта. Проще говоря, ускоряющийся термометр в пустом пространстве (например, который раскачивают), без какого-либо дополнительного вклада в его температуру, зафиксирует ненулевую температуру, обусловленную исключительно его ускорением. Эвристически, для равномерно ускоряющегося наблюдателя основное состояние инерциального наблюдателя выглядит как смешанное состояние в термодинамическом равновесии с тепловой ванной с ненулевой температурой. Эффект Унру был впервые описан Стивеном Фуллингом в 1973 году, Полом Дэвисом в 1975 году и В. Г. Унру в 1976 году. В настоящее время неясно, действительно ли эффект Унру был экспериментально подтверждён, поскольку заявленные наблюдения вызывают споры. Также существуют сомнения в том, подразумевает ли эффект Унру существование излучения Унру.
Пояснение
Унрух теоретически продемонстрировал, что понятие вакуума зависит от траектории наблюдателя в пространстве-времени. С точки зрения ускоряющегося наблюдателя, вакуум инерциального наблюдателя будет выглядеть как состояние, содержащее множество частиц в тепловом равновесии — горячий газ. Эффект Унру будет наблюдаться только ускоряющимся наблюдателем. И хотя эффект Унруха поначалу может показаться контринтуитивным, он становится понятным, если интерпретировать слово «вакуум» в следующем конкретном смысле. В квантовой теории поля понятие «вакуум» не равнозначно понятию «пустое пространство»: пространство заполнено квантованными полями, составляющими Вселенную. Вакуум — это просто состояние с наименьшей возможной энергией этих полей. Энергетические состояния любого квантованного поля определяются гамильтонианом, основанным на локальных условиях, включая временную координату. Согласно специальной теории относительности, два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, должны использовать разные временные координаты. Если эти наблюдатели ускоряются, общей системы координат может не существовать. Следовательно, наблюдатели будут видеть различные квантовые состояния и, соответственно, различные вакуумы. В некоторых случаях вакуум одного наблюдателя даже не принадлежит пространству квантовых состояний другого. С технической точки зрения, это происходит потому, что два вакуума приводят к унитарно неэквивалентным представлениям канонических коммутационных соотношений квантового поля. Это связано с тем, что два взаимно ускоряющихся наблюдателя могут не найти глобально определенное преобразование координат, связывающее их выбор координат. Ускоряющийся наблюдатель будет воспринимать формирование видимого горизонта событий (см. пространство-время Риндлера). Существование излучения Унру может быть связано с этим видимым горизонтом событий, помещая его в ту же концептуальную рамку, что и излучение Хокинга. С другой стороны, теория эффекта Унру объясняет, что определение того, что представляет собой «частицу», зависит от состояния движения наблюдателя. Свободное поле необходимо разложить на положительные и отрицательные частотные компоненты перед определением операторов рождения и уничтожения. Это возможно только в пространствах-временах с темпоподобным полем Киллинга. Это разложение оказывается различным в декартовых и риндлеровских координатах (хотя они связаны преобразованием Боголюбова). Это объясняет, почему «число частиц», определяемое через операторы рождения и уничтожения, различно в обеих координатах. Пространство-время Риндлера имеет горизонт, и локально любой неэкстремальный горизонт чёрной дыры является горизонтом Риндлера. Таким образом, пространство-время Риндлера описывает локальные свойства чёрных дыр и космологических горизонтов. Можно перестроить метрику, ограниченную этими областями, чтобы получить метрику Риндлера. Тогда эффект Унру будет являться формой излучения Хокинга вблизи горизонта. Ожидается, что эффект Унру также будет присутствовать в пространстве де Ситтера. Важно подчеркнуть, что эффект Унру лишь утверждает, что, согласно равномерно ускоренным наблюдателям, вакуумное состояние является тепловым состоянием, определяемым его температурой, и не следует придавать тепловому состоянию или ванне слишком большое значение. Различные тепловые состояния или ванны при одной и той же температуре не обязательно должны быть равными, поскольку они зависят от гамильтониана, описывающего систему. В частности, тепловая ванна, наблюдаемая ускоренными наблюдателями в вакуумном состоянии квантового поля, не идентична тепловому состоянию того же поля при той же температуре, согласно инерциальным наблюдателям. Более того, равномерно ускоренные наблюдатели, неподвижные относительно друг друга, могут иметь различные собственные ускорения *a* (в зависимости от их расстояния), что является прямым следствием релятивистского красного смещения. Это делает температуру Унру пространственно неоднородной в равномерно ускоренной системе отсчета.
Другие последствия
Эффект Унру также приведет к тому, что скорость распада ускоряющихся частиц будет отличаться от скорости распада покоящихся частиц. Стабильные частицы, такие как электрон, могут иметь ненулевую вероятность переходов в состояния с большей массой при достаточно сильном ускорении.
Излучение Унру
Хотя предсказание Унруха о том, что ускоряющийся детектор увидит тепловую ванну, не вызывает споров, интерпретация переходов в детекторе в неподвижной системе отсчета – да. Широко, хотя и не единогласно, распространено мнение, что каждый переход в детекторе сопровождается испусканием частицы, и что эта частица будет распространяться до бесконечности и восприниматься как излучение Унруха. Существование излучения Унруха не является общепринятым. Смолянинов утверждает, что оно уже было обнаружено, в то время как О'Коннелл и Форд утверждают, что оно вообще не испускается. Эти скептики признают, что ускоряющийся объект термализуется до температуры Унруха, но не считают, что это приводит к испусканию фотонов, полагая, что скорости испускания и поглощения ускоряющейся частицы сбалансированы.
Экспериментальное наблюдение
Исследователи утверждают, что эксперименты, успешно обнаружившие эффект Соколова-Тернова, могут также обнаруживать эффект Унруха при определенных условиях. Теоретические работы 2011 года показывают, что ускоряющиеся детекторы можно использовать для непосредственного обнаружения эффекта Унруха с использованием современных технологий. Эффект Унруха, возможно, был впервые зафиксирован в 2019 году в высокоэнергетическом каналирующем излучении, исследованном экспериментом NA63 в ЦЕРНе.