Teoria względności Einsteina prowadzi do zaskakujących wniosków. Upływ czasu zależy od prędkości, masa zagina przestrzeń i spowalnia czas. Jest jeszcze jeden wniosek, który odkrył fizyk Stephen Fulling w 1973 roku (do tego samego stwierdzenia doszli w 1975 roku Paul Davies, a w 1976 roku William Unruh).

Jeśli obserwator przyspiesza w próżni, powinien w niej zaobserwować promieniowanie, czyli fotony. W tym samym czasie obserwator, który się nie porusza lub porusza ruchem jednostajnym (bez przyspieszenia), nie zobaczy nic.

Z obliczeń wynika, że jest to promieniowanie odpowiadające temu, jakie powinno emitować ciało doskonale czarne, czyli głównie w zakresie podczerwieni. Innymi słowy - próżnia dla obserwatora w bezruchu będzie zimna, a dla przyspieszającego cieplejsza!

W próżni co prawda nic nie ma, ale to tylko złudzenie. W dużym uproszczeniu efekt Unruha wynika z tego, że przenikają ją bezustannie kwantowe pola. Przyspieszenie pozwala zaobserwować ich efekty i zobaczyć „światło w próżni” (choć jest to głównie światło dla ludzkiego oka niewidzialne).

Dlaczego w próżni dwaj fizycy mogą zmierzyć różne temperatury

Promieniowanie to nazywano promieniowaniem Unruha. Nigdy dotąd go nie zaobserwowano, bo jeśli istnieje, jest niezwykle słabe.

Na przykład przyspieszenie ziemskiego pola grawitacyjnego sprawiłoby, że odczyty temperatury dla fizyka w laboratorium i spadającego na Ziemię (bez spadochronu!) różniłyby się tylko o czterysta trylionowych części kelwina (cztery jest dopiero na dwudziestym miejscu po przecinku).

Takiej różnicy nie sposób wykryć. Ale przecież można spróbować przyspieszyć coś, żeby efekt był większy. Oczywiście nie może być to człowiek, który znosi przyspieszenie kilka, maksymalnie dziesięć razy większe od ziemskiego (zamiast dwudziestu zer po przecinku w ułamku dziesiętnym będzie ich wtedy i tak dziewiętnaście).

Żeby zaobserwować różnicę rzędu jednego kelwina, trzeba by sprawić, by termometr osiągnął przyspieszenie 247 trylionów metrów na sekundę do kwadratu. Jak to zrobić?

Jak zaobserwować fotony w próżni? Wystarczy czymś niezwykle szybko potrząsać

W „Communications Physics” fizycy z Dartmouth College przedstawiają na to sposób. Wystarczy czymś odpowiednio szybko potrząsać.

W zaproponowanym przez nich eksperymencie główną rolę odgrywa syntetyczny diament wielkości pocztowego znaczka. Zatopione są w nim detektory fotonów (w postaci atomów azotu).

Naukowcy chcą umieścić diament w próżni i schłodzić. Potem trzeba wprawić go w drgania niczym trampolinę. Drgania nie obywają się bez przyspieszenia, tyle że ruch odbywa się raz w tę, raz z powrotem. Jeśli diamentowa „trampolina” będzie poszturchiwana odpowiednio często (co jest możliwe z wykorzystaniem rezonansu akustycznego), powinna wykryć fotony promieniowania Unruha. Nie będą jednak widzialne dla ludzkiego oka, tylko w zakresie mikrofal.

Fotony odkrywane przez diamentowy detektor będą występować w parach – tłumaczy dr Hui Wang. Badaczka twierdzi, że to będzie koronnym dowodem, że fotony powstały z próżni, a nie innego źródła. Dlaczego? Próżnia bowiem pełna jest takich wirtualnych par cząstek.

Teraz wypada tylko poczekać na wynik eksperymentu. Fizycy na pewno skrupulatnie odnotują to, czy się powiedzie.

Dlaczego czarne dziury emitują promieniowanie

– Przekładanie takich idei na konkretne eksperymenty to praca fizyków teoretyków. Jest to też duża radość. Staramy się wykazać, że taki eksperyment można przeprowadzić i sprawdzić coś, czego przetestowanie do tej pory nie było możliwe – mówi prof. Miles Blencowe.

Dodatkową radością dla fizyków będzie fakt, że promieniowanie Unruha jest skutkiem tych samych fizycznych zasad, które doprowadziły Stephena Hawkinga do wniosku, że czarne dziury bezustannie emitują promieniowanie. Ono również jest wynikiem pojawiania się w próżni par cząstek, które istnieją przez niewyobrażalnie krótkie ułamki sekund.

Jeśli w próżni bezustannie powstają pary cząstek, to w pobliżu horyzontu zdarzeń czarnej dziury musi czasem zdarzyć się tak, że jedna z nich trafi pod horyzont (i zniknie z naszego Wszechświata na zawsze), a druga uleci w przestrzeń. Strumień takich cząstek, czyli promieniowanie, przewidział właśnie Hawking.

Źródła: Communications Physics, Dartmouth College