Eksperimenti i zgjuar i fizikës që prodhon “diçka nga asgjëja”

Vrimat e zeza janë rajone të hapësirë-kohës me sasi të mëdha graviteti. Shkencëtarët fillimisht menduan se asgjë nuk mund t’u shpëtojë kufijve të këtyre objekteve masive, përfshirë dritën.

Natyra e saktë e vrimave të zeza është sfiduar që kur teoria e përgjithshme e relativitetit të Albert Ajnshtajnit krijoi mundësinë e ekzistencës së tyre. Ndër gjetjet më të famshme ishte parashikimi i fizikanit anglez Stephen Hawking se disa grimca emetohen në të vërtetë në skajin e një vrime të zezë.

Fizikanët kanë eksploruar gjithashtu funksionimin e vakumeve. Në fillim të viteve 1970, ndërsa Hawking po përshkruante se si drita mund t’i shpëtojë tërheqjes gravitacionale të një vrime të zezë, fizikani kanadez William Unruh propozoi që një fotodetektor i përshpejtuar mjaftueshëm shpejt mund të “shihte” dritën në vakum.

Hulumtimi i ri nga Dartmouth i avancon këto teori duke detajuar një mënyrë për të prodhuar dhe zbuluar dritën që më parë mendohej të ishte e pavëzhgueshme.

“Në kuptimin e përditshëm, gjetjet duket se sugjerojnë çuditërisht aftësinë për të prodhuar dritë nga vakuumi bosh,” tha Miles Blencowe, Profesor i shquar i fizikës Eleanor dhe A. Kelvin Smith në Dartmouth dhe studiues i vjetër i studimit. “Ne në thelb kemi prodhuar diçka nga asgjëja; Mendimi për këtë është thjesht shumë i lezetshëm.”

Në fizikën klasike, vakuumi mendohet si mungesë e materies, dritës dhe energjisë. Në fizikën kuantike, vakuumi nuk është aq bosh, por i mbushur me fotone që luhaten brenda dhe jashtë ekzistencës. Megjithatë, një dritë e tillë është praktikisht e pamundur të matet.

Një pjesë e teorisë së përgjithshme të relativitetit të Ajnshtajnit, “parimi i ekuivalencës”, vendos një lidhje midis parashikimit të Hawking për rrezatimin e vrimave të zeza dhe parashikimit të Unruh për përshpejtimin e fotodetektorëve që shohin dritën. Ekuivalenca thotë se graviteti dhe nxitimi janë thelbësisht të padallueshëm: Një person në një ashensor pa dritare dhe përshpejtues nuk do të jetë në gjendje të përcaktojë nëse mbi to veprohet nga graviteti, një forcë inerciale ose të dyja.

Prandaj, nëse graviteti i vrimës së zezë mund të krijojë fotone në vakum, kështu mund të ketë edhe nxitimi.

Me shkencën që tashmë demonstron se vëzhgimi i dritës në vakum është i mundur, ekipi i Dartmouth u përpoq të gjente një mënyrë praktike për të zbuluar fotonet.

Teoria e kërkimit Dartmouth, e botuar në Nature Research’s Communications Physics, parashikon që papërsosmëritë e bazuara në azot në një membranë diamanti që përshpejtohet me shpejtësi mund të bëjë zbulimin.

Në eksperimentin e propozuar, një diamant sintetik i madhësisë së pullës postare që përmban detektorë të dritës me bazë azoti është pezulluar në një kuti metalike super të ftohur që krijon një vakum. Membrana, e cila vepron si një trampolinë e lidhur, përshpejtohet me ritme masive.

Dokumenti kërkimor shpjegon se prodhimi i fotonit që rezulton nga vakuumi i zgavrës është i përmirësuar dhe i matshëm kolektivisht, me prodhimin e fotonit të vakumit që i nënshtrohet një tranzicioni fazor nga një fazë normale në “një fazë lasing të përmbysur si superrrezatues” kur numri i detektorit tejkalon një vlerë kritike.

“Lëvizja e diamantit prodhon fotone,” tha Hui Wang, një studiues postdoktoral që shkroi punimin teorik ndërsa ishte student i diplomuar në Dartmouth. “Në thelb, gjithçka që duhet të bëni është të shkundni diçka aq me forcë sa të prodhojë fotone të ngatërruara.”

Dokumenti Dartmouth heton përdorimin e detektorëve të shumtë të fotoneve – defektet e diamantit – për të përforcuar përshpejtimin e membranës dhe për të rritur ndjeshmërinë e zbulimit. Lëkundja e diamantit gjithashtu lejon që eksperimenti të zhvillohet në një hapësirë ​​të kontrollueshme me ritme intensive përshpejtimi.

“Puna jonë është e para që eksploron se çfarë ndodh kur ka shumë fotodetektorë përshpejtues në vend të një,” tha Blencowe. “Ne zbuluam një efekt përforcues të përmirësuar kuantik për krijimin e dritës nga vakuumi, ku efekti kolektiv i shumë detektorëve përshpejtues është më i madh sesa t’i konsiderojmë ato individualisht.”

Për të konfirmuar që fotonet e zbuluara vijnë nga vakuumi dhe jo nga mjedisi përreth, ekipi demonstron se teoria vëzhgon “dritën e ngatërruar”, një tipar i dallueshëm i mekanikës kuantike që nuk mund të vijë nga rrezatimi i jashtëm.

“Fotonet e zbuluara nga diamanti prodhohen në çifte,” tha Hui. “Ky prodhim i fotoneve të çiftëzuara, të ngatërruara është dëshmi se fotonet prodhohen në vakum dhe jo nga një burim tjetër.”

Propozimi për të vëzhguar dritën në vakum nuk ka zbatueshmëri të menjëhershme, por ekipi hulumtues shpreson që ai të shtojë kuptimin e forcave fizike që kontribuojnë në shoqëri në mënyrën se si kanë bërë kërkimet e tjera teorike. Në veçanti, puna mund të ndihmojë në hedhjen e dritës eksperimentale mbi parashikimin e Hawking për rrezatimin e vrimave të zeza përmes thjerrëzave të parimit të ekuivalencës së Ajnshtajnit.

“Një pjesë e përgjegjësisë dhe gëzimit të të qenit teoricien si ne, është të nxjerrim ide atje,” tha Blencowe. “Ne po përpiqemi të tregojmë se është e mundur të bëhet ky eksperiment, për të testuar diçka që deri më tani ka qenë jashtëzakonisht e vështirë.”

Një animacion teknik i prodhuar nga ekipi përshkruan krijimin e fotoneve nga eksperimenti. Drita e zbuluar ekziston në frekuencën e mikrovalës, kështu që nuk është e dukshme për syrin e njeriut.