Измерение эффекта Унру: предложенный подход может устранить разрыв между общей теорией относительности и квантовой механикой
Протон — это основа большей части видимой материи во Вселенной. Он находится в центре атомов, придавая им структуру. Однако его структура удивительно сложна, и понимание её деталей занимает теоретиков и экспериментаторов уже более века.
Профессор физики из Университета Коннектикута Кёнсон Джу говорит: «Большая часть видимой материи во Вселенной состоит из протонов. Поэтому, если вы хотите понять Вселенную, важно понять протон».
В настоящее время структура протона хорошо изучена только в процессах, где они исследуются при высоких энергиях и большом переносе импульса. В таких случаях зонды взаимодействуют с кварками и глюонами (вместе называемыми «партонами»), которые формируют протон, так быстро, что они реагируют как плотно установленная стойка бильярдных шаров, ударяемых хорошо отбитым шаром.
Однако, когда протоны исследуются с более низкими энергиями или меньшим переносом импульса, наши знания значительно ограничены. В этом режиме взаимодействие может преобразовать протон в одно из его возбуждённых состояний, известных как резонанс. Эти возбуждённые состояния обладают более высокой энергией или, что эквивалентно, большей массой, чем протон в основном состоянии.
Физики-ядерщики заинтересованы в изучении возбуждённых состояний протонов в этой резонансной области, чтобы узнать больше об их детальном составе. Кроме того, чтобы узнать о структуре протона в основном состоянии в резонансной области, необходимо разделить вклады от его резонансных состояний.
Результаты эксперимента, проведённого в Национальной лаборатории Томаса Джефферсона Министерства энергетики США с аппаратом под названием CLAS12, открывают новые пути для получения информации о структуре протона из измерений в этой резонансной области.
Эти измерения позволяют ядерным физикам впервые искать проявление сигналов от возбуждённых состояний протона на всё ещё неизученных масштабах расстояний и ответить на давно открытый вопрос о том, остаются ли возбуждённые состояния протона актуальными при увеличении переноса импульса. Результаты были недавно опубликованы в Physical Review C.
Эффект Унру
Исследователи из Университета Хиросимы разработали реалистичный и высокочувствительный метод обнаружения эффекта Унру — давно предсказанного явления на стыке теории относительности и квантовой теории. Их новый подход открывает новые возможности для изучения фундаментальной физики и разработки передовых технологий.
Работа опубликована в Physical Review Letters 23 июля 2025 года.
Эффект Фуллинга-Дэвиса-Унру, или просто эффект Унру, — это поразительное теоретическое предсказание на глубоком пересечении теории относительности Альберта Эйнштейна и квантовой теории.
«В квантовой теории даже вакуум кипит крошечными флуктуациями энергии, где частицы и античастицы кратко появляются и исчезают. Примечательно, что эффект Унру показывает, как эти «вакуумные ряби» воспринимаются в зависимости от движения наблюдателя. Стационарный наблюдатель ничего не видит, но наблюдатель, испытывающий ускорение, воспринимает их как реальные частицы с тепловым распределением энергии — «квантовым теплом»», — сказал Нориюки Хатакенака, почётный профессор Университета Хиросимы.
Исследователи из Университета Хиросимы предложили многообещающий подход для наблюдения эффекта Унру. «Наша работа направлена на преодоление этого фундаментального препятствия путём предложения нового и осуществимого экспериментального метода. Мы используем круговое движение метастабильных пар флюксонов и антифлюксонов в связанных кольцевых джозефсоновских переходах», — сказал Хатакенака.
Достижения в области сверхпроводящей микрофабрикации позволяют создавать схемы с чрезвычайно малыми радиусами, обеспечивая чрезвычайно высокие эффективные ускорения и создавая температуру Унру в несколько кельвинов — достаточно высокую, чтобы её можно было экспериментально обнаружить с помощью современных технологий.
«Мы предложили реалистичный, высокочувствительный и однозначный метод обнаружения неуловимого эффекта Унру. Наша предлагаемая система предлагает чёткий путь для экспериментального наблюдения этого «фантомного тепла» ускорения впервые», — сказал Катаяма.
В их инновационной установке «квантовое тепло», индуцированное круговым ускорением, вызывает флуктуации, которые приводят к расщеплению метастабильных пар флюксонов и антифлюксонов.
«Одним из самых удивительных аспектов является то, что микроскопические квантовые флуктуации могут вызывать внезапные макроскопические скачки напряжения, делая неуловимый эффект Унру непосредственно наблюдаемым. Ещё более поразительно то, что распределение переключений смещается исключительно с ускорением, в то время как все остальные параметры остаются неизменными — чёткий статистический отпечаток самого эффекта Унру», — сказал Хатакенака.
Катаяма сказал: «Наш ближайший шаг — провести детальный анализ процессов распада пар флюксонов и антифлюксонов. Это включает в себя тщательное исследование роли макроскопического квантового туннелирования, квантово-механического явления, при котором частицы могут проходить через потенциальные барьеры, которое не было подробно изучено в этой первоначальной работе. Понимание этих сложных механизмов распада будет иметь решающее значение для усовершенствования экспериментального обнаружения эффекта Унру».
Их конечная цель в этом исследовании многогранна. Помимо непосредственного обнаружения, они стремятся исследовать потенциальные связи между этим явлением и другими квантовыми полями, связанными с их детектором. «Углубляя наше понимание этих новых квантовых явлений, мы надеемся внести значительный вклад в поиск единой теории всех физических законов», — сказал Хатакенака.
Исследователи отмечают, что высокочувствительные и широкодиапазонные возможности обнаружения, разработанные в этом исследовании, имеют огромный потенциал для прокладывания пути для будущих приложений, особенно в области передовых квантовых сенсорных технологий.
«Мы стремимся к тому, чтобы эта работа открыла новые возможности в фундаментальной физике и вдохновила на дальнейшее исследование истинной природы пространства-времени и квантовой реальности», — сказал Катаяма.