Физики из США экспериментально доказали "квантовость" силы инерции

Серия экспериментов с гигантскими искусственными атомами помогла физикам из США доказать, что так называемый эффект Унру, указывающий на дискретный характер инерции и необычные квантовые свойства вакуума, существует на самом деле. Итоги их опытов были представлены в журнале Nature Physics.

"Квантовая гравитация давно стала одной из самых интересных областей физики. Излучение Хокинга, информационный парадокс, голографическая теория черных дыр – все это приблизило нас к новому пониманию природы мироздания. Мы же впервые изучили то, как ведут себя квантовые объекты в искривленном пространстве-времени", — отмечает Цзячжун Ху (Jiazhong Hu) из университета Чикаго (США).

Как сегодня считают ученые, главный недостаток Общей теории относительности заключается в том, что она представляет собой "классическую", то есть неквантовую теорию. Гравитационные взаимодействия в ней описывается не при помощи дискретных частиц-гравитонов, а с помощью непрерывных математических объектов, так называемых классических полей.

Ученые уже почти столетие пытаются примирить квантовую физику и выкладки Эйнштейна, однако все подобные попытки "проквантовать" гравитацию и объединить ее с другими тремя известными взаимодействиями приводят к серьезным изменениям в формулах ОТО. Отсутствие подобных коррекций ведет к появлению серьезных расхождений между предсказаниями квантовой физики и теории относительности.

Одно из подобных разночтений, "эффект Унру", было открыто американским физиком-теоретиком Уильямом Унру (William Unruh) еще в конце 1970 годов. Он представляет собой объяснение того, почему существует сила инерции, и предположение, что она имеет некую "дискретную" природу, связанную с квантовыми свойствами вакуума.

Унру показал, что предмет, движущийся с ускорением, начинает по-особому взаимодействовать с вакуумом или другой средой, через которую он движется. Если говорить просто, то окружающее пространство становится "теплее" для него. Это тепло, или излучение Унру, "давит" на движущееся тело и заставляет его снижать скорость.

Эта идея приобрела достаточно неоднозначный характер, так как она, с одной стороны, может объяснить некоторые странные свойства черных дыр и само существование инерции, но при этом противоречит теории относительности и некоторым другим постулатам физики.

Пока ни скептикам, ни сторонникам теории Унру не удалось ни опровергнуть, ни доказать существование этого феномена. Причина этого была очень проста – даже малозаметный "нагрев" вакуума вокруг движущегося тела потребует сверхвысоких ускорений, в десятки раз превышающих ускорение свободного падения у поверхности нейтронной звезды.

Ху и его коллеги провели первую экспериментальную проверку этих теоретических выкладок, просчитывая поведение так называемого конденсата Бозе-Эйштейна при его ускорении или торможении. Он представляет собой необычную по своим свойствам форму материи, охлажденную до сверхнизких температур, которая ведет себя как гигантский одиночный атом и обладает типичными "атомными" свойствами.

Движением атомов внутри этого конденсата управляют исключительно законы квантовой физики и на их поведение очень сильно влияют температуры. Это упростило задачу для американских физиков и позволило им проследить за тем, как эта форма материи вырабатывала излучение Унру.

Для этого физики подготовили облачко из 60 тысяч атомов цезия, охладили его до температуры, близкой к абсолютному нулю, загнали в специальную ловушку и начали манипулировать положением атомов при помощи магнитных полей, вытянув "искусственный атом" особым образом. Это усилило квантовые флуктуации внутри конденсата, катапультировало часть цезия из него и породило эффект, который Ху и его команда назвали "фейерверком Бозе".

Данный феномен позволил ученым очень точно измерить изменения в температуре среды у отдельных атомов, проследить за изменениями в энтропии среды и тем, как вырабатывалось тепло. Эти замеры, в свою очередь, показали, что разброс в температурных показателях был не случайной величиной, а имел квантовую природу, как и предсказывает теория Унру.

Что интересно, ученым удалось "отмотать" назад все эти изменения и вернуть конденсат в исходное состояние, поменяв характер переключения магнитных полей. Это, как считает Ху, говорит о том, что конденсат Бозе-Эйнштейна и подобные установки можно использовать для воспроизведения и изучения эффектов, возникающих у горизонта событий черной дыры, в том числе излучения Хокинга.