تجربة فيزياء ذكية تنتج “شيئًا من لا شيء”

أفق الحدث الثقب الأسود

نظرية جديدة “تكتشف” الضوء في ظلمة الفراغ.

الثقوب السوداء هي مناطق في الزمكان بكميات هائلة من الجاذبية. اعتقد العلماء في الأصل أنه لا شيء يمكن أن يفلت من حدود هذه الأجسام الضخمة ، بما في ذلك الضوء.

لقد تم تحدي الطبيعة الدقيقة للثقوب السوداء منذ أن أدت نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين إلى إمكانية وجودها. من بين الاكتشافات الأكثر شهرة كان تنبؤ الفيزيائي الإنجليزي ستيفن هوكينج بأن بعض الجسيمات تنبعث فعليًا على حافة ثقب أسود.

استكشف الفيزيائيون أيضًا طريقة عمل الفراغات. في أوائل سبعينيات القرن الماضي ، عندما كان هوكينغ يصف كيف يمكن للضوء أن يفلت من جاذبية الثقب الأسود ، اقترح الفيزيائي الكندي ويليام أونروه أن كاشف ضوئي يتسارع بسرعة كافية يمكنه “رؤية” الضوء في الفراغ.

قام بحث جديد من دارتموث بتطوير هذه النظريات من خلال تفصيل طريقة لإنتاج واكتشاف الضوء الذي كان يُعتقد سابقًا أنه غير قابل للرصد.

https://www.youtube.com/watch؟v=_-IuvOKjoNc
“في التجربة المقترحة ، الموضحة هنا ، يتم تعليق غشاء ماسي صناعي بحجم طابع بريدي يحتوي على كاشفات ضوئية قائمة على النيتروجين في صندوق معدني شديد التبريد ينتج عنه فراغ. يتم تسريع الغشاء ، الذي يعمل مثل الترامبولين المربوط ، بمعدلات هائلة ، مما ينتج الفوتونات. الائتمان: الرسوم المتحركة من قبل LaDarius Dennison / كلية دارتموث

قال مايلز بلينكو ، أستاذ الفيزياء المتميز في جامعة دارتموث ، وإليانور وأ. “لقد أنتجنا ، في الجوهر ، شيئًا من لا شيء ؛ التفكير في ذلك رائع جدًا “.

في الفيزياء الكلاسيكية ، يُعتقد أن الفراغ هو غياب المادة والضوء والطاقة. في فيزياء الكم ، الفراغ ليس فارغًا ، لكنه مليء بالفوتونات التي تتقلب داخل وخارج الوجود. ومع ذلك ، فإن مثل هذا الضوء يكاد يكون من المستحيل قياسه.

يؤسس جزء واحد من نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، “مبدأ التكافؤ” ، صلة بين تنبؤ هوكينغ لإشعاع الثقوب السوداء وتنبؤ أونروه لتسريع أجهزة الكشف الضوئي التي ترى الضوء. يقول التكافؤ أن الجاذبية والتسارع لا يمكن تمييزهما بشكل أساسي: لن يتمكن أي شخص في مصعد متسارع بلا نوافذ من تحديد ما إذا كان يتم التصرف به عن طريق الجاذبية أو بالقصور الذاتي أو كليهما.

لذلك ، إذا كانت جاذبية الثقب الأسود يمكن أن تخلق فوتونات في الفراغ ، فيمكن تسريعها أيضًا.

مع إثبات العلم بالفعل أن مراقبة الضوء في الفراغ أمر ممكن ، شرع فريق دارتموث لإيجاد طريقة عملية لاكتشاف الفوتونات.

مايلز بلينكو وهوي وانغ

وصف مايلز بلينكو من دارتموث ، وأستاذ إليانور وأ. الائتمان: روبرت جيل / كلية دارتموث

نظرية بحث دارتموث ، المنشورة في Nature Research’s فيزياء الاتصالات، يتنبأ بأن العيوب القائمة على النيتروجين في غشاء الماس المتسارع يمكن أن يؤدي إلى الكشف.

في التجربة المقترحة ، تم تعليق ماسة صناعية بحجم طابع بريدي تحتوي على كاشفات ضوئية قائمة على النيتروجين في صندوق معدني شديد التبريد ينتج عنه فراغ. يتم تسريع الغشاء ، الذي يعمل مثل الترامبولين المربوط ، بمعدلات هائلة.

توضح الورقة البحثية أن إنتاج الفوتون الناتج من فراغ التجويف يتم تعزيزه وقياسه بشكل جماعي ، حيث يخضع إنتاج الفوتون الخوائي لانتقال طور من طور عادي إلى “طور ليزر مقلوب شبيه بالإشعاع الفائق” عندما يتجاوز رقم الكاشف a قيمة حرجة.

قال هوي وانج ، باحث ما بعد الدكتوراه الذي كتب الورقة النظرية بينما كان طالب دراسات عليا في دارتموث: “حركة الماس تنتج الفوتونات”. “في الأساس ، كل ما عليك فعله هو هز شيء ما بعنف بدرجة كافية لإنتاج فوتونات متشابكة.”

تبحث ورقة دارتموث في استخدام أجهزة كشف الفوتون المتعددة – عيوب الماس – لتضخيم تسارع الغشاء وزيادة حساسية الكشف. يسمح تأرجح الماس أيضًا بإجراء التجربة في مساحة يمكن التحكم فيها بمعدلات تسارع شديدة.

قال بلينكو: “عملنا هو أول من يستكشف ما يحدث عندما يكون هناك العديد من أجهزة الكشف الضوئي المتسارعة بدلاً من واحد”. “اكتشفنا تأثير التضخيم المعزز الكمي لإنشاء الضوء من الفراغ ، حيث يكون التأثير الجماعي للعديد من أجهزة الكشف عن التسارع أكبر من النظر إليها بشكل فردي.”

لتأكيد أن الفوتونات المكتشفة تأتي من الفراغ وليس من البيئة المحيطة ، أوضح الفريق أن النظرية تلاحظ “الضوء المتشابك” ، وهي سمة مميزة لميكانيكا الكم لا يمكن أن تنشأ من الإشعاع الخارجي.

قال هوي: “يتم إنتاج الفوتونات التي تم الكشف عنها بواسطة الماس في أزواج”. “هذا الإنتاج للفوتونات المزدوجة والمتشابكة هو دليل على أن الفوتونات يتم إنتاجها في فراغ وليس من مصدر آخر.”

اقتراح مراقبة الضوء في الفراغ ليس له قابلية للتطبيق الفوري ، لكن فريق البحث يأمل أن يضيف إلى فهم القوى الفيزيائية التي تساهم في المجتمع بالطريقة التي قدمتها الأبحاث النظرية الأخرى. على وجه الخصوص ، قد يساعد العمل في إلقاء الضوء التجريبي على تنبؤات هوكينغ لإشعاع الثقوب السوداء من خلال عدسة مبدأ التكافؤ لأينشتاين.

قال بلينكو: “جزء من المسؤولية والفرح لكوننا منظرين مثلنا هو طرح الأفكار هناك”. “نحاول إظهار أنه من الممكن إجراء هذه التجربة ، لاختبار شيء كان حتى الآن صعبًا للغاية.”

تصور الرسوم المتحركة الفنية التي أنتجها الفريق إنشاء الفوتونات بالتجربة. الضوء المكتشف موجود في تردد الميكروويف ، لذلك لا يمكن رؤيته بالعين المجردة.

المرجع: “تضخيم إنتاج الفوتون بشكل متماسك من الفراغ بسحابة كثيفة من أجهزة الكشف الضوئي المتسارعة” بواسطة Hui Wang and Miles Blencowe ، 10 يونيو 2021 ، فيزياء الاتصالات.
DOI: 10.1038 / s42005-021-00622-3

تم دعم البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية.

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *