Vor 40 Jahren machte der kanadische Physiker Bill Unruh eine überraschende Vorhersage zur Quantenfeldtheorie. Seine Theorie, bekannt als Unruh-Effekt, sagte voraus, dass ein beschleunigender Beobachter in Schwarzkörperstrahlung gebadet wird, während ein Trägheitsbeobachter keiner ausgesetzt ist. Gibt es einen besseren Weg, den 40. Jahrestag dieser Theorie zu feiern, als zu überlegen, wie sie sich auf Menschen auswirken könnte, die relativistische Raumfahrt versuchen?
Das war die Absicht hinter a neue Studie von einem Forscherteam aus Sao Paulo, Brasilien. Im Wesentlichen überlegen sie, wie der Unruh-Effekt mit einem einfachen Experiment bestätigt werden könnte, das auf vorhandener Technologie beruht. Dieses Experiment würde nicht nur ein für alle Mal beweisen, ob der Unruh-Effekt real ist, es könnte uns auch helfen, den Tag zu planen, an dem interstellare Reisen Realität werden.
Um es laienhaft auszudrücken, Einsteins Relativitätstheorie besagt, dass Zeit und Raum vom Trägheitsbezugssystem des Beobachters abhängig sind. In Übereinstimmung damit ist die Theorie, dass ein Beobachter, der mit konstanter Geschwindigkeit durch ein leeres Vakuum reist, feststellen wird, dass die Temperatur dieses Vakuums absolut Null ist. Aber wenn sie sich beschleunigen würden, würde die Temperatur des leeren Raums heißer.
Nach der Theorie des Unruh-Effekts unterliegen beschleunigende Teilchen einer erhöhten Strahlung. Bildnachweis: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Das behauptete 1976 William Unruh – ein Theoretiker von der University of British Columbia (UBC), Vancouver. Seiner Theorie zufolge würde ein durch den Weltraum beschleunigender Beobachter einem „Thermalbad“ – also Photonen und anderen Teilchen – ausgesetzt sein. die sich verstärken würden, je mehr sie beschleunigten. Leider konnte dieser Effekt noch nie gemessen werden, da es keine Raumsonde gibt, die die erforderlichen Geschwindigkeiten erreichen kann.
Um ihrer Studie willen – die kürzlich in der Zeitschrift Physical Review Letters unter dem Titel „ Virtuelle Beobachtung des Unruh-Effekts “ – schlug das Forschungsteam ein einfaches Experiment vor, um den Unruh-Effekt zu testen. Unter der Leitung von Gabriel Cozzella von der Institut für Theoretische Physik (IFT) an der Sao Paulo State University behaupten, dass dieses Experiment das Problem durch die Messung eines bereits verstandenen elektromagnetischen Phänomens lösen würde.
Im Wesentlichen argumentieren sie, dass es möglich wäre, den Unruh-Effekt durch die Messung der sogenannten Larmor-Strahlung nachzuweisen. Darunter versteht man die elektromagnetische Energie, die von geladenen Teilchen (wie Elektronen, Protonen oder Ionen) bei deren Beschleunigung abgestrahlt wird. Wie sie in ihrer Studie feststellen:
„Eine vielversprechendere Strategie besteht darin, in der von beschleunigten Ladungen emittierten Strahlung nach Fingerabdrücken des Unruh-Effekts zu suchen. Beschleunigte Ladungen sollten aufgrund der Strahlungsemission zurückreagieren und entsprechend zittern. Ein solches Zittern würden Rindler-Beobachter natürlich als Folge der Ladungswechselwirkung mit den Photonen der Unruh-Therme interpretieren.“
Diagramm des Experiments zum Testen des Unruh-Effekts, bei dem Elektronen in ein Magnetfeld injiziert und seitlichen und vertikalen Zugkräften ausgesetzt werden. Bildnachweis: Cozzella, Gabriel (et al.)
Wie sie in ihrer Arbeit beschreiben, würde dies darin bestehen, das von Elektronen emittierte Licht innerhalb zweier separater Referenzsysteme zu überwachen. Im ersten, als „beschleunigender Rahmen“ bekannt, werden Elektronen seitlich über ein Magnetfeld geschossen, wodurch sich die Elektronen in einem kreisförmigen Muster bewegen würden. Im zweiten, dem „Laboratorium“, wird ein vertikales Feld angelegt, um die Elektronen nach oben zu beschleunigen, sodass sie einer korkenzieherartigen Bahn folgen.
Im Beschleunigungsframe gehen Cozzella und seine Kollegen davon aus, dass die Elektronen auf den „Nebel der Photonen“ treffen, wo sie sowohl abstrahlen als auch emittieren. Im Laborsystem würden sich die Elektronen bei vertikaler Beschleunigung aufheizen und einen Überschuss an langwelligen Photonen zeigen. Dies wäre jedoch zunächst von dem im beschleunigten Frame vorhandenen „Nebel“ abhängig.
Kurz gesagt, dieses Experiment bietet einen einfachen Test, mit dem festgestellt werden könnte, ob der Unruh-Effekt existiert oder nicht, was seit seiner Vorstellung umstritten ist. Eine der Schönheiten des vorgeschlagenen Experiments besteht darin, dass es mit derzeit verfügbaren Teilchenbeschleunigern und Elektromagneten durchgeführt werden könnte.
Auf der anderen Seite der Debatte stehen diejenigen, die behaupten, der Unruh-Effekt sei auf einen mathematischen Fehler von Unruh und seinen Kollegen zurückzuführen. Für diese Personen ist dieses Experiment nützlich, da es diese Theorie effektiv entlarven würde. Unabhängig davon sind Cozzella und sein Team zuversichtlich, dass ihr vorgeschlagenes Experiment positive Ergebnisse liefern wird.
Project Starshot, eine von der Breakthrough Foundation geförderte Initiative, soll die erste interstellare Reise der Menschheit sein. Bildnachweis: Durchbruchinitiatives.org
„Wir haben ein einfaches Experiment vorgeschlagen, bei dem die Anwesenheit der Unruh-Therme in der Larmor-Strahlung einer beschleunigten Ladung kodiert wird“, erklären sie. „Dann haben wir eine einfache Berechnung der klassischen Elektrodynamik (überprüft durch eine Quantenfeldtheorie) durchgeführt, um dies selbst zu bestätigen. Sofern man die klassische Elektrodynamik nicht in Frage stellt, müssen unsere Ergebnisse quasi als Beobachtung des Unruh-Effekts betrachtet werden.“
Sollten sich die Experimente als erfolgreich erweisen und der Unruh-Effekt nachgewiesen werden, hätte dies sicherlich Konsequenzen für zukünftige Weltraummissionen, die auf fortschrittliche Antriebssysteme angewiesen sind. Zwischen Projekt Starshot , und jede geplante Mission, die die Entsendung einer Besatzung zu einem anderen Sternensystem beinhalten würde, müssen die zusätzlichen Effekte eines „Photonennebels“ und eines „Thermalbads“ berücksichtigt werden.
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