Измерение вращения пространства-времени с помощью атомных возбуждений

Как поведут себя атомы вблизи сверхмассивного объекта? Мы знаем, как ведут себя атомы в условиях чрезвычайно слабой гравитации, как на поверхности Земли: они могут возбуждаться с более низкого энергетического уровня на более высокий, когда электрон поглощает фотон, или атомное ядро ​​поглощает гамма-лучи и т. д. А что, если атом находится в сильном гравитационном поле, например, рядом со сверхмассивной вращающейся черной дырой или вращающейся нейтронной звездой?

Двое ученых из Пекинского научно-исследовательского центра вычислительной техники в Китае обнаружили, что сила возбуждения также зависит от того, насколько быстро вращается пространство-время за пределами массивного объекта. На самом деле, говорят они, могла бы быть полезна обратная картина: измеряя изменения в серии возбуждений, можно было бы определить, насколько быстро вращается пространство-время — явление, называемое перетаскиванием кадра.

Результаты будут опубликованы на сервере препринтов arXiv.

Перетаскивание кадров — это предсказание теории гравитации Эйнштейна, общей теории относительности. Подобно тому, как стационарная черная дыра деформирует пространство-время вокруг себя, в результате чего появляется горизонт событий и кажущаяся сингулярность в его центре, австрийские физики Йозеф Лензе и Ганс Тирринг в 1918 году обнаружили, что вращение массивного объекта искажает пространство-время вблизи него. Направление вращения следует за этим.

Это изменило бы измерения расстояния и угла вблизи массы, а пространство и время можно было бы даже частично спутать по сравнению с далеким наблюдателем.

Этот эффект, известный как эффект Лензе-Тирринга, возникает даже в пределе «слабого поля» уравнений Эйнштейна, то есть в пространстве-времени вблизи горизонта событий черной дыры, где гравитация не так сильна (но сильнее, чем на Земле). ).

НАСА и другие группы обнаружили астрономические доказательства перетаскивания кадров, но исследователи говорят, что измерения необходимо уточнить. Скорость вращения волочения зависит от момента импульса массы (насколько быстро она вращается) и ее массы, а также расстояния от нее.

В этом исследовании ученые предположили, что небольшая масса (например, атом или другой объект с энергетическими уровнями) окружена простым квантовым полем, существующим где угодно за пределами центральной вращающейся массы.

Частицы, связанные с квантовым полем, имеют нулевой спин (в квантово-механическом смысле); примером может служить электромагнитное поле, в котором носители силы поля, фотоны, имеют нулевой спин. Будет ли угловая частота перемещения кадра отражаться на скорости возбуждения атома?

В более простом случае невращающейся черной дыры, так называемом «решении Шварцшильда» уравнений Эйнштейна, перетаскивание системы отсчета отсутствует. Известно, что покоящийся атом будет возбужден излучением Хокинга черной дыры — излучением с частотным спектром черного тела, высвобождаемым на горизонте событий вокруг черной дыры. Скорость возбуждения атома содержит информацию о силе гравитационного поля на горизонте событий.

Однако для вращающейся массивной черной дыры, имеющей так называемое «решение Керра» (которое было обнаружено только в 1963 году), не существует настоящих горизонтов событий и сингулярностей. Пространство-время Керра действительно демонстрирует вытягивание системы отсчета, но покоящийся атом не будет возбужден.

В отличие от решения Шварцшильда, решение Керра является точным решением структуры пространства-времени даже с очень большими массами и сильной гравитацией. Поэтому соавторы Жуй-Чен Лю и К. П. Сунь рассмотрели случай, когда атом движется по кругу с постоянной скоростью в керровском пространстве-времени.

Они «квантовали» поле с нулевым спином, то есть трактовали его по правилам квантовой механики (которые отличаются от знаменитых уравнений Максвелла, которые рассматривают электромагнитные поля как классические поля без фотонов или частиц с нулевым спином). Объединив все эти открытия и математический анализ, они обнаружили, что атом возбужден.

Они также обнаружили, что скорость возбуждения — количество возбуждений в секунду — такая же, как у атома, погруженного в тепловую ванну (окруженную энергией), температура которой пропорциональна ускорению атома при его движении по кругу. Это похоже на эффект Унру, когда атом, подвергнутый постоянному ускорению в пустом вакууме, даже по прямой линии, будет видеть частицы и тепловую ванну с чрезвычайно маленькой, но ненулевой температурой.

Чтобы углубить свой анализ, Лю и Сан рассмотрели разные энергии возбуждения для атомов, вращающихся с разными скоростями и на разных расстояниях от центральной массы. Они обнаружили, что скорости возбуждения находились в диапазоне от 0 до верхнего предела для всех значений частоты вращения тянущего кадра.

Они пишут: «Эффект перетаскивания рамки создает определенную скорость возбуждения для атомов, движущихся по кругу. Этот верхний предел можно было бы измерить, и исходя из этого можно было бы определить скорость вращения, частоту вращения и радиус движения». быть производным.

Они отмечают, что их подход использует нелокальные свойства квантовых полей (также известные как запутанность), используя измерения, которые не зависят от традиционной звездной калибровки, в которой используются звезды с известными световыми свойствами, для проверки качества и надежности датчиков с помощью телескопа. .