Что такое эффект унру
Невозможный двигатель EmDrive, эффект Унру, фотоны и инерция: попытка объяснить непонятное
Английский учёный из Плимутского университета Майк Макалох [Mike McCulloch] в своей работе попытался дать объяснение принципу действия «невозможного» двигателя EmDrive, который вот уже несколько лет ставит в тупик специалистов. Для этого учёному пришлось дать объяснение такому фундаментальному понятию физики, как инерция.
Двигатель EmDrive придумал в начале 2000-х британский инженер Роджер Шойер. Он представил общественности свою идею о двигателе, по сути состоящем из металлического усечённого конуса и магнетрона. По его расчётам, отражающиеся внутри конструкции электромагнитные волны должны создавать тягу без всяких реактивных компонентов.
Естественно, он был поднят на смех, поскольку закон сохранения импульса не позволяет создавать подобные устройства. Но, начиная с 2008 года и опыта китайских учёных, а затем – нескольких инженеров-энтузиастов, и заканчивая опытами уважаемых инженеров из НАСА, накапливается всё больше подтверждений тому, что этот странный двигатель всё-таки работает.
Пока что научный мир не спешит с выводами – как не считается безусловно подтверждённым факт работоспособности двигателя, так и нет общепризнанных объяснений этого факта. Макалох предлагает использовать для этого такой экзотический эффект, как излучение Унру.
Со школы известно, что у всех объектов, обладающих массой, присутствует такое свойство, как инерция. Массу даже называют мерой инерции – это способность тел сопротивляться попыткам изменить их скорость или направление движения. Или, иначе говоря, свойство тел оставаться в некоторых системах отсчёта в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения в отсутствии или при взаимной компенсации внешних воздействий.
Но почему она возникает? На этот вопрос ответа пока нет. Макалох напомнил об эффекте Унру, названном в честь Билла Унру из Университета Британской Колумбии, открывшего его в 1976 году.
Унру показал, что понятие о вакууме зависит от того, как наблюдатель движется сквозь пространство-время. Если вокруг неподвижного наблюдателя находится только вакуум, то ускоряющийся наблюдатель увидит вокруг себя много частиц, находящихся в термодинамическом равновесии, то есть тёплый газ. Так, температура вакуума в системе отсчёта частицы, двигающейся со стандартным земным ускорением свободного падения 9,81 м/с², по расчётам будет равна 4 * 10 −20 К.
По сути, после открытия Унру можно говорить о вакууме только относительно какого-то объекта. Если наблюдатель двигается с ускорением, он наблюдает вокруг себя тепловое излучение, а точнее – излучение чёрного тела. А Макалох считает, что инерция – это и есть давление этого излучения на ускоряющееся тело.
По его расчётам, при очень малых ускорениях длина волны излучения Унру получается столь большой, что превышает размеры наблюдаемой Вселенной. Поэтому инерция не увеличивается непрерывно, а квантуется. Удивительно, но эта странная теория очень хорошо объясняет другой непонятный эффект — пролётные аномалии.
Пролётная аномалия — это неожиданное увеличение энергии во время гравитационных манёвров космических аппаратов около Земли. Эта аномалия наблюдалась как доплеровский уход частоты в S-диапазоне и X-диапазоне и дальней телеметрии. Всё это вместе вызывало значительное нерасчётное увеличение скорости до 13 мм/с во время облётов.
Эта аномалия наблюдалась в 1990-м году при пролёте космического аппарата Галилео, созданного для исследования Юпитера и его спутников (увеличение скорости на 4 мм/с); в 1998-м году — космического аппарата NEAR Shoemaker, отправленного в 1996 году к астероиду Эрос (увеличение скорости на 13 мм/с); в 1999-м – Кассини (на 0,11 мм/с); в 2005-м году – Розетта (на 2 мм/с).
Макалох думает, что эти внезапные скачки происходили именно тогда, когда ускорение увеличивалось, и длина волны излучения Унру становилась достаточно маленькой – в этот момент космические аппараты испытывали скачок скорости. Сходным образом работает эффект Казимира.
Дальше объяснения Макалоха становятся ещё интересней: он предполагает наличие у фотонов инертной массы. А поскольку фотоны испытывают отражение внутри корпуса EmDrive, они испытывают и инерцию. Только длины волн излучения Унру в этом случае будут крайне малы. Настолько малы, что могут поместиться в коническом корпусе двигателя.
И если получается так, что в широкой части конуса помещаются волны Унру, которые не помещаются в узкой его части, то инерция фотонов, отражающихся во все стороны, должна меняться. И для сохранения импульса система должна создавать тягу. Макалох провёл вычисления, и выяснил, что его теория согласуется с величинами тяги, полученными в экспериментах (по крайней мере, по порядку величин).
Самое интересное, что его выкладки можно проверить в очередном эксперименте с EmDrive. Если он прав, то, во-первых, размещение диэлектрика внутри полости двигателя должно увеличить силу тяги. Во-вторых, изменение частоты фотонов или геометрии двигателя должно менять тягу, вплоть до изменения направления.
Если эта теория кажется несколько смелой, хотя бы из-за содержащихся в ней необычных предположений – то ведь всё равно других приемлемых теорий, объясняющих работу EmDrive, пока не существует. Кто знает, может быть работу необычного двигателя можно объяснить только необычной теорией?
Эффект Унру
Эффект Унру или излучение Унру (англ. Unruh effect ) — предсказываемый квантовой теорией поля эффект наблюдения теплового излучения в ускоряющейся системе отсчёта при отсутствии этого излучения в инерциальной системе отсчёта. Другими словами, ускоряющийся наблюдатель увидит фон излучения вокруг себя, даже если неподвижный наблюдатель не видит ничего. Основное квантовое состояние (вакуум) в неподвижной системе кажется состоянием с ненулевой температурой в ускоряющейся системе отсчёта.
Эффект был открыт в 1976 году Биллом Унру из Университета Британской Колумбии. Унру показал, что понятие о вакууме зависит от того, как наблюдатель движется сквозь пространство-время. Если вокруг неподвижного наблюдателя находится только вакуум, то ускоряющийся наблюдатель увидит вокруг себя много частиц, находящихся в термодинамическом равновесии, то есть тёплый газ. Эффект Унру произвёл переворот в понимании слова вакуум, так как теперь можно говорить о вакууме только относительно какого-то объекта.
Содержание
Простейшее объяснение
По современным определениям, понятие вакуум — не то же самое, что и пустое пространство, так как всё пространство заполнено квантованными полями (иногда говорят о виртуальных частицах). Вакуум — это самое простое, низшее по энергии из возможных состояний. Энергетические уровни любого квантованного поля зависят от гамильтониана, который, в свою очередь, в общем случае зависит от координат, импульсов и времени. Поэтому гамильтониан, а значит и понятие вакуума, зависит от системы отсчёта. В пространстве Минковского из-за его высокой симметрии для всех инерциальных систем отсчёта вакуум — одно и то же состояние. Но это не так уже для неинерциальных систем в пространстве Минковского, а тем более для практически произвольно искривлённых пространств общей теории относительности.
Как известно, количество частиц является собственным значением оператора, зависящего от операторов рождения и уничтожения. Перед тем, как определить операторы рождения и уничтожения, нам нужно разложить свободное поле на положительные и отрицательные частотные компоненты. А это можно сделать только в пространствах с времениподобным вектором Киллинга (хотя бы асимптотическим). Разложение будет разным в галилеевых и риндлеровских координатах, несмотря на то что операторы рождения и уничтожения в них связаны преобразованием Боголюбова (англ.). Именно поэтому количество частиц зависит от системы отсчёта.
Эффект Унру и общая теория относительности
Эффект Унру позволяет дать грубое объяснение излучения Хокинга, но не может считаться полным аналогом оного. [1] При равноускоренном движении позади ускоряющегося тела также возникает горизонт событий, но разница в граничных условиях задач дает различное решение для этих эффектов. В частности, подход, основанный на расчете ограниченных интегралов по путям, дает следующую картину для эффекта Унру: «тепловая атмосфера» ускоренного наблюдателя состоит из виртуальных частиц, но если такая виртуальная частица поглощается ускоренным наблюдателем, то соответствующая античастица становится реальной и доступна для детектирования инерциальным наблюдателем. [1] В этом случае ускоренный наблюдатель теряет часть своей энергии. В случае эффекта Хокинга для черной дыры, сформировавшейся в результате гравитационного коллапса, картина другая: появляющиеся в результате эффекта частицы «тепловой атмосферы» являются реальными. Эти частицы, уходящие на бесконечность, могут наблюдаться и поглощаться удаленным наблюдателем, однако, независимо от их поглощения, эти частицы уносят массу (энергию) черной дыры. [1]
Численное значение
Температура наблюдаемого излучения Унру выражается той же формулой, что и температура излучения Хокинга, но зависит не от поверхностной гравитации, а от ускорения системы отсчета 
.
Так, температура вакуума в системе частицы, двигающейся в условиях притяжения Земли с ускорением 9,81 м/с² равна 4×10 −20 К. Для экспериментальной проверки Эффекта Унру планируется достигнуть ускорения частиц 10 26 м/с², что соответствует температурам около 400 000 K. Есть предложения, как с помощью фазы Берри можно экспериментально проверить эффект на гораздо меньших ускорениях, до 10 17 м/с². [2]
Эффект Унру также влечёт за собой изменение скорости распада ускоренных частиц по отношению к частицам, движущимся по инерции. Некоторые стабильные частицы (такие, как протон) приобретают конечное время распада. [3] [4] [5]
Физики изучают пустое пространство. Эффект Унру в новом методе наблюдений
Суть эффекта Унру заключается в том, что равноускоренный наблюдатель начинает видеть вокруг себя равновесное тепловое излучение, в то время как наблюдатель в инерциальной системе отсчета не видит ничего. В теории, эффект Унру – это предсказываемый квантовой теорией поля эффект наблюдения теплового излучения в ускоряющейся системе отсчёта при отсутствии этого излучения в инерциальной системе отсчёта.
Впервые этот эффект был описан в 1973 году физиком Полом Дэвисом, а в 1976 году – физиком Уильямом Унру. Под собой он подразумевает изучение квантового вакуума. Если двигаться по нему с экстремальным ускорением, то вакуум выглядит как пылесос, полный частиц. Но измерить их не удавалось.
Гипотетический эффект Унру получил совершенно новую методику наблюдений. Вместо изучения пустого пространства, в котором частицы внезапно становятся видимыми при ускорении, можно создать двумерное облако ультрахолодных атомов (конденсат Бозе-Эйнштейна), в которых звуковые частицы, фононы, становятся слышны ускоренному наблюдателю в безмолвном фононном вакууме. Звук не создается детектором, скорее он слышит то, что есть, только из-за ускорения (неускоренный детектор все равно ничего не слышит). Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Эффект Унру создает тепловой отклик ускоренного детектора при его движении в вакууме. Исследователь из Ноттингемского Университета https://www.nottingham.ac.uk/news/scientists-make-sound-waves-at-the-black-hole-laboratory Себастьян Эрн считает, что напрямую этот эффект наблюдать невозможно. Требуется особое измерительное устройство, которое может ускоряться за микросекунду до скорости света. И тогда в таких условиях можно будет наблюдать минимальное значение эффекта Унру.
Но в реальности этого сделать невозможно. Физики считают, что можно использовать для наблюдений за предполагаемым эффектом, так называемые, квантовые стимуляторы. Возможно, что таким способом объясняются разные квантовые системы.
Моделирование одной системы с помощью другой облегчит понимание черных дыр. Аналоговые модели черных дыр можно будет создавать в лабораторных условиях. Исходная версия не может быть продемонстрирована по практическим причинам, но ее можно создать искусственным образом и наблюдать эффект.
Аналогично тому, как частица представляет собой в пустом пространстве возмущения, то и в холодном конденсате можно также наблюдать такие же процессы: это небольшие неровности, которые выражаются в звуковых волнах. Обнаружить их могут специальные лазерные лучи.
Если перемещать лазерный луч, смещая точку освещения под воздействия конденсата, то это будет соответствовать движению наблюдателя через пустое пространство. А если направить лазерный луч в ускоренном движении над атомным облаком, то можно выявить возмущения, которые не наблюдаются в стационарном случае.
Квантовые симуляторы
Это также верно для эффекта Унру: если исходная версия не может быть продемонстрирована по практическим причинам, тогда можно создать и исследовать другую квантовую систему, чтобы увидеть там эффект.
Атомные облака и лазерные лучи
Подобно тому, как частица представляет собой «возмущение» в пустом пространстве, в холодном конденсате Бозе-Эйнштейна возмущения – это небольшие неоднородности (звуковые волны). Как было показано, такие неоднородности следует обнаруживать с помощью специальных лазерных лучей. Используя специальные приемы, измерение минимально искажает конденсат Бозе-Эйнштейна, несмотря на взаимодействие с лазерным светом.
В холодном пекле Как ускориться и увидеть вакуум
Ровно сорок лет назад канадский физик-теоретик Билл Унру опубликовал в журнале Physical Review D статью, в которой описал названный впоследствии его именем квантовый эффект. Работа ученого позволила пересмотреть понятие физического вакуума и представляет собой единственное разумное объяснение излучения Хокинга. «Лента.ру» рассказывает об эффекте Унру.
Явление, открытое канадским физиком-теоретиком, заключается в следующем. Равноускоренно движущийся наблюдатель видит вокруг себя равновесное тепловое излучение, тогда как покоящийся или равномерно перемещающийся его не замечает. Эффект носит существенно квантовый характер, а его экспериментальное обнаружение чрезвычайно затруднительно.
Температура излучения Унру с точностью до комбинации физических постоянных прямо пропорциональна ускорению наблюдателя. В частности, если эта величина равняется ускорению свободного падения на поверхности Земли, достигающему 9,81 метра за секунду в квадрате, то температура Унру равняется четырем на десять в минус двадцатой степени кельвинов. Это означает, что для экспериментального обнаружения излучения Унру как минимум необходимы частицы с огромными ускорениями. Альтернативной проверкой выводов канадского физика может служить прямое наблюдение испарения черных дыр (излучения Хокинга), с которым тесно связан эффект Унру.
Явление позволило по-новому взглянуть на фундаментальные для физики понятия неинерциальной системы отсчета и вакуума. Фактически эффект Унру позволяет определить понятие абсолютной неинерциальной системы отсчета — такой системы, которая движется относительно покоящегося или равномерно движущегося наблюдателя с ускорением. Вакуум в эффекте Унру (как и в квантовой теории поля) представляет собой совокупность нулевых мод (колебаний) квантовых полей, с перестройкой которых и связано появление теплового излучения.
Билл Унру впервые определил температуру теплового излучения вокруг ускоренного движущегося наблюдателя. Его работе предшествовали исследования многих физиков. Особое внимание автор уделил статьям Стивена Хокинга, Стивена Фуллинга и Пауля Дэвиса. Часто фамилии этих ученых используются в названии эффекта Унру.
Математически это проявляется в неинвариантности преобразований гамильтониана, описывающего квантовую систему, при переходе от одной неинерциальной системы к другой, так что равномерно двигающийся наблюдатель и равноускоренно перемещающийся наблюдатель будут видеть разные вакуумные состояния.
В настоящее время эффект Унру экспериментально не обнаружен, опубликованные экспериментальные работы, посвященные излучению, не получили всеобщего признания. Главная трудность связана с детектированием чрезвычайно слабого теплового излучения, которое на практике трудно отличить от теплового шума. С другой стороны, эффект Унру можно проверить, наблюдая за черными дырами.
Выражение для температуры Унру совпадает с формулой для температуры излучения Хокинга. Эффект, открытый британским физиком-теоретиком, заключается в следующем. С течением времени черная дыра — массивный объект, ограниченный в пространстве-времени горизонтом событий, который не может пересечь попавшее за него тело, может испариться вследствие излучения, происходящего из-за квантовых флуктуаций, связанных с образованием пар частиц. Одна частица из такой пары улетает от черной дыры, а другая — падает в нее.
Эффект Унру приводит к далеко идущим последствиям. Например, его справедливость приводит к сокращению времени жизни элементарных частиц — например, протона и электрона, считающихся стабильными в инерциальной системе отсчета. Кроме того, явление позволяет закрыть несколько физических теорий, претендующих на роль фундаментальных. В частности, в рамках теории струн (сторонником которой Унру не является) удается вывести формулу для температуры Унру, но это невозможно в петлевой квантовой гравитации. Это связано с тем, что в последней не определено плоское пространство-время, которое существует во всех описаниях эффекта Унру.
Явление используется в нескольких экзотических теориях. Несколько раз с его помощью пытались объяснить пролетные аномалии (неожиданное увеличение скорости) в движении космических аппаратов. В последний раз это сделал Майкл Маккалош из Плимутского университета (Великобритания), который также предложил новое объяснение работы двигателя EmDrive. Его примеру через два месяца последовали финские физики. Однако значение эффекта Унру для науки заключается в другом.
Эффекты Хокинга и Унру тесно связывают между собой общую теорию относительности и квантовую теорию поля. В основе первой лежит, в частности, принцип эквивалентности. В своей слабой форме он означает пропорциональность инертной (связанной с движением) и гравитационной (связанной с тяготением) масс и позволяет (в сильной форме) в ограниченной области пространства не различать гравитационное поле и движение с ускорением. Классический пример — лифт. При его равноускоренном движении вверх относительно Земли находящийся в нем наблюдатель не в состоянии определить, находится он в более сильном гравитационном поле или перемещается в рукотворном объекте.
Аналогично горизонту черной дыры, вблизи которого можно наблюдать излучение Хокинга, для эффекта Унру определено понятие риндлерова горизонта, вблизи которого ускоренно движущийся наблюдатель должен заметить тепловое излучение. В этом смысле испарение Хокинга и излучение Унру можно считать одним из проявлений принципа эквивалентности Эйнштейна. Прямое обнаружение этих эффектов стало бы триумфом теоретической физики.
Эффект Унру
Эффект Унру или излучение Унру (англ. Unruh effect) — предсказываемый квантовой теорией поля эффект наблюдения теплового излучения в ускоряющейся системе отсчёта при отсутствии этого излучения в инерциальной системе отсчёта. Другими словами, ускоряющийся наблюдатель увидит фон излучения вокруг себя, даже если неподвижный наблюдатель не видит ничего. Основное квантовое состояние (вакуум) в неподвижной системе кажется состоянием с ненулевой температурой в ускоряющейся системе отсчёта.
Эффект был открыт в 1976 году Биллом Унру из Университета Британской Колумбии. Унру показал, что понятие о вакууме зависит от того, как наблюдатель движется сквозь пространство-время. Если вокруг неподвижного наблюдателя находится только вакуум, то ускоряющийся наблюдатель увидит вокруг себя много частиц, находящихся в термодинамическом равновесии, то есть тёплый газ. Эффект Унру произвёл переворот в понимании слова вакуум, так как теперь можно говорить о вакууме только относительно какого-то объекта.
Простейшее объяснение
По современным определениям, понятие вакуум — не то же самое, что и пустое пространство, так как всё пространство заполнено квантованными полями (иногда говорят о виртуальных частицах). Вакуум — это самое простое, низшее по энергии из возможных состояний. Энергетические уровни любого квантованного поля зависят от гамильтониана, который, в свою очередь, в общем случае зависит от координат, импульсов и времени. Поэтому гамильтониан, а значит и понятие вакуума, зависит от системы отсчёта. В пространстве Минковского из-за его высокой симметрии для всех инерциальных систем отсчёта вакуум — одно и то же состояние. Но это не так уже для неинерциальных систем в пространстве Минковского, а тем более для практически произвольно искривлённых пространств общей теории относительности.
Как известно, количество частиц является собственным значением оператора, зависящего от операторов рождения и уничтожения. Перед тем, как определить операторы рождения и уничтожения, нам нужно разложить свободное поле на положительные и отрицательные частотные компоненты. А это можно сделать только в пространствах с времениподобным вектором Киллинга (хотя бы асимптотическим). Разложение будет разным в галилеевых и риндлеровских координатах, несмотря на то что операторы рождения и уничтожения в них связаны преобразованием Боголюбова. Именно поэтому количество частиц зависит от системы отсчёта.