Θα μπορούσαν οι ταξιδιώτες του διαστήματος να λιώσουν καθώς επιταχύνουν στο βαθύ διάστημα;
Πριν από σαράντα χρόνια, ο Καναδός φυσικός Bill Unruh έκανε μια εκπληκτική πρόβλεψη σχετικά με την κβαντική θεωρία πεδίου. Γνωστό ως φαινόμενο Unruh, η θεωρία του προέβλεψε ότι ένας επιταχυνόμενος παρατηρητής θα λούζονταν από ακτινοβολία μαύρου σώματος, ενώ ένας αδρανειακός παρατηρητής δεν θα εκτεθεί σε καμία. Τι καλύτερος τρόπος για να σηματοδοτήσουμε την 40η επέτειο αυτής της θεωρίας από το να σκεφτούμε πώς θα μπορούσε να επηρεάσει τα ανθρώπινα όντα που επιχειρούν σχετικιστικά διαστημικά ταξίδια;
Αυτή ήταν η πρόθεση πίσω από ένα νέα μελέτη από μια ομάδα ερευνητών από το Σάο Πάολο της Βραζιλίας. Στην ουσία, εξετάζουν πώς θα μπορούσε να επιβεβαιωθεί το φαινόμενο Unruh χρησιμοποιώντας ένα απλό πείραμα που βασίζεται στην υπάρχουσα τεχνολογία. Αυτό το πείραμα όχι μόνο θα αποδείκνυε μια για πάντα εάν το φαινόμενο Unruh είναι πραγματικό, αλλά θα μπορούσε επίσης να μας βοηθήσει να σχεδιάσουμε την ημέρα που το διαστρικό ταξίδι θα γίνει πραγματικότητα.
Για να το θέσω με απλούς όρους, Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν δηλώνει ότι ο χρόνος και ο χώρος εξαρτώνται από το αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς του παρατηρητή. Συνεπής με αυτό είναι η θεωρία ότι εάν ένας παρατηρητής ταξιδεύει με σταθερή ταχύτητα μέσα στο κενό κενό, θα βρει ότι η θερμοκρασία του εν λόγω κενού είναι απόλυτο μηδέν. Αλλά αν άρχιζαν να επιταχύνονται, η θερμοκρασία του κενού χώρου θα γινόταν πιο ζεστή.
Σύμφωνα με τη θεωρία του φαινομένου Unruh, τα επιταχυνόμενα σωματίδια υπόκεινται σε αυξημένη ακτινοβολία. Πίστωση: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Αυτό υποστήριξε ο William Unruh – ένας θεωρητικός από το Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας (UBC), Βανκούβερ – το 1976. Σύμφωνα με τη θεωρία του, ένας παρατηρητής που επιταχύνεται στο διάστημα θα υπόκειται σε ένα «θερμικό λουτρό» – δηλαδή φωτόνια και άλλα σωματίδια – που θα ενίσχυαν όσο περισσότερο επιτάχυναν. Δυστυχώς, κανείς δεν μπόρεσε ποτέ να μετρήσει αυτό το αποτέλεσμα, αφού δεν υπάρχει διαστημόπλοιο που να μπορεί να επιτύχει τις απαραίτητες ταχύτητες.
Για χάρη της μελέτης τους – η οποία δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Physical Review Letters με τίτλο « Εικονική παρατήρηση του φαινομένου Unruh ” – η ερευνητική ομάδα πρότεινε ένα απλό πείραμα για να ελέγξει το φαινόμενο Unruh. Με επικεφαλής τον Gabriel Cozzella του Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής (IFT) στο κρατικό πανεπιστήμιο του Σάο Πάολο, ισχυρίζονται ότι αυτό το πείραμα θα έλυνε το πρόβλημα μετρώντας ένα ήδη κατανοητό ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο.
Ουσιαστικά, υποστηρίζουν ότι θα ήταν δυνατό να ανιχνευθεί το φαινόμενο Unruh μετρώντας αυτό που είναι γνωστό ως ακτινοβολία Larmor. Αυτό αναφέρεται στην ηλεκτρομαγνητική ενέργεια που ακτινοβολείται μακριά από φορτισμένα σωματίδια (όπως ηλεκτρόνια, πρωτόνια ή ιόντα) όταν επιταχύνονται. Όπως αναφέρουν στη μελέτη τους:
«Μια πιο πολλά υποσχόμενη στρατηγική συνίσταται στην αναζήτηση δακτυλικών αποτυπωμάτων του φαινομένου Unruh στην ακτινοβολία που εκπέμπεται από τα επιταχυνόμενα φορτία. Τα επιταχυνόμενα φορτία θα πρέπει να αντιδρούν λόγω εκπομπής ακτινοβολίας, να τρέμουν ανάλογα. Ένα τέτοιο τρέμουλο θα ερμηνευόταν φυσικά από τους παρατηρητές του Rindler ως συνέπεια της αλληλεπίδρασης φορτίου με τα φωτόνια του ιαματικού λουτρού Unruh.
Διάγραμμα του πειράματος για τη δοκιμή του φαινομένου Unruh, όπου τα ηλεκτρόνια εγχέονται σε ένα μαγνητικό πεδίο και υποβάλλονται σε πλευρικές και κάθετες έλξεις. Πίστωση: Cozzella, Gabriel (et al.)
Όπως περιγράφουν στο έγγραφό τους, αυτό θα συνίστατο στην παρακολούθηση του φωτός που εκπέμπεται από τα ηλεκτρόνια μέσα σε δύο ξεχωριστά πλαίσια αναφοράς. Στο πρώτο, γνωστό ως «πλαίσιο επιτάχυνσης», τα ηλεκτρόνια εκτοξεύονται πλευρικά κατά μήκος ενός μαγνητικού πεδίου, το οποίο θα έκανε τα ηλεκτρόνια να κινηθούν σε κυκλικό σχέδιο. Στο δεύτερο, το «πλαίσιο εργαστηρίου», εφαρμόζεται ένα κατακόρυφο πεδίο για να επιταχύνει τα ηλεκτρόνια προς τα πάνω, αναγκάζοντάς τα να ακολουθήσουν μια πορεία που μοιάζει με τιρμπουσόν.
Στο επιταχυνόμενο πλαίσιο, ο Cozzella και οι συνεργάτες του υποθέτουν ότι τα ηλεκτρόνια θα συναντούσαν την «ομίχλη των φωτονίων», όπου και τα δύο ακτινοβολούν και τα εκπέμπουν. Στο εργαστηριακό πλαίσιο, τα ηλεκτρόνια θα θερμάνονταν μόλις εφαρμοστεί κατακόρυφη επιτάχυνση, με αποτέλεσμα να εμφανίζουν περίσσεια φωτονίων μεγάλου μήκους κύματος. Ωστόσο, αυτό θα εξαρτηθεί αρχικά από την «ομίχλη» που υπάρχει στο επιταχυνόμενο πλαίσιο.
Εν ολίγοις, αυτό το πείραμα προσφέρει ένα απλό τεστ που θα μπορούσε να καθορίσει εάν υπάρχει ή όχι το φαινόμενο Unruh, κάτι που αμφισβητείται από τότε που προτάθηκε. Μια από τις ομορφιές του προτεινόμενου πειράματος είναι ότι θα μπορούσε να διεξαχθεί χρησιμοποιώντας επιταχυντές σωματιδίων και ηλεκτρομαγνήτες που είναι διαθέσιμοι αυτή τη στιγμή.
Από την άλλη πλευρά της συζήτησης είναι εκείνοι που ισχυρίζονται ότι το φαινόμενο Unruh οφείλεται σε ένα μαθηματικό λάθος που έγινε από τον Unruh και τους συναδέλφους του. Για αυτά τα άτομα, αυτό το πείραμα είναι χρήσιμο γιατί θα καταρρίψει αποτελεσματικά αυτή τη θεωρία. Ανεξάρτητα από αυτό, ο Cozzella και η ομάδα του είναι βέβαιοι ότι το προτεινόμενο πείραμά τους θα αποφέρει θετικά αποτελέσματα.
Το Project Starshot, μια πρωτοβουλία που χρηματοδοτείται από το Ίδρυμα Breakthrough, προορίζεται να είναι το πρώτο διαστρικό ταξίδι της ανθρωπότητας. Πίστωση: breakthroughinitiatives.org
«Έχουμε προτείνει ένα απλό πείραμα όπου η παρουσία του ιαματικού λουτρού Unruh κωδικοποιείται στην ακτινοβολία Larmor που εκπέμπεται από ένα επιταχυνόμενο φορτίο», αναφέρουν. «Στη συνέχεια, πραγματοποιήσαμε έναν απλό υπολογισμό κλασικής ηλεκτροδυναμικής (ελεγμένο από μια θεωρία κβαντικού πεδίου) για να το επιβεβαιώσουμε μόνοι μας. Εκτός κι αν αμφισβητήσει κανείς την κλασική ηλεκτροδυναμική, τα αποτελέσματά μας πρέπει να θεωρηθούν ουσιαστικά ως παρατήρηση του φαινομένου Unruh.
Εάν τα πειράματα αποδειχθούν επιτυχή και το φαινόμενο Unruh αποδειχτεί ότι υπάρχει, θα έχει σίγουρα συνέπειες για οποιεσδήποτε μελλοντικές αποστολές στο βαθύ διάστημα που βασίζονται σε προηγμένα συστήματα πρόωσης. Μεταξύ Έργο Starshot , και οποιαδήποτε προτεινόμενη αποστολή που θα συνεπαγόταν την αποστολή πληρώματος σε άλλο αστρικό σύστημα, θα πρέπει να ληφθούν υπόψη τα πρόσθετα αποτελέσματα μιας «ομίχλης φωτονίων» και ενός «θερμικού λουτρού».
Περαιτέρω ανάγνωση: arXiv , ScienceMag