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「真空」其實富含粒子 科學家提出驗證實驗


安魯效應(Unruh effect)提出真空其實充滿了粒子,這種現象和物理學家霍金(Stephen Hawking)提出的黑洞輻射理論,都是結合量子物理學和相對論的知名理論。可是還無法得到實驗支持,最近一份研究終於提出一個實驗能夠進行驗證。

愛因斯坦相對論的一個基本概念是說,觀測結果在很大程度上取決於觀測者的運動狀態。鐘錶走得多快?某個物體有多長?光波的波長是多少?所有這些看似平常的問題,其實沒有固定的答案。對於以不同速度運動的觀測者來說,答案是不同的。同樣,對於某個空間是不是真空的問題,答案也取決於觀測者的速度。

安魯(William Unruh)在1976年提出,對於猛烈加速的觀測者來說,真空有一定溫度。這是由所謂的虛擬粒子導致。霍金輻射理論也認為,虛擬粒子導致黑洞出現某種蒸散現象,導致黑洞質量減小。

主要研究員之一諾丁漢大學(University of Nottingham)的厄恩(Sebastian Erne)說:「直接觀測安魯效應對我們來說,完全辦不到。你需要一個在1微秒內加速到接近光速的探測器,才偵測到細微的安魯效應。然而,可以通過其它辦法探索這個奇異的效應:使用量子模擬器。」

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「量子物理學對於很多定律具有普遍意義。」合作研究員維也納科技大學(Vienna University of Technology)的施密德邁耶(Jörg Schmiedmayer)說:「也就是說,你可以通過研究另一個完全不同的系統,以探索一個特定的量子系統。」

「用一個系統模擬另一個系統,對研究黑洞這樣的物體特別有用,因為黑洞基本上是觸碰不到的東西。」諾丁漢大學黑洞研究室的古丁(Cisco Gooding)說:「可是,我們在實驗室可以造出模擬的黑洞。」

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對於安魯效應也是一樣,雖然無法展示真空中加速觀測者的情形,研究人員提出了這樣一個替代模擬器的情形進行實驗。

這份研究提出這樣的辦法驗證安魯效應:雖然無法直接研究真空的情形,利用一個二維超低溫原子雲——即玻色—愛因斯坦冷凝物作為量子模擬器,模擬真空系統,利用激光束作為探測器在冷凝物中移動,如果在原本寂靜的冷凝物中探測到聲子,就可以證明出現了安魯效應。

施密德邁耶說:「如果你移動激光束,當它穿過冷凝物的時候,等同於探測器在真空中的移動。如果引導激光束以加速模式在原子雲中穿過,那麼應該會發現在靜止狀態下探測不到的干擾因素,就像真空中的加速者將觀測到在靜止狀態下觀測不到的熱力。」

諾丁漢大學黑洞研究室負責人溫福特(Silke Weinfurtner)說:「直到現在,安魯效應一直是一個抽象的概念。很多人已經放棄了用實驗對它驗證的希望。我們提出用量子模擬器結合粒子探測器的實驗,將探索這個理論模型變為可能。」

這份研究11月23日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。

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