Desde la década de 1970, cuando se propuso por primera vez, el efecto Unruh ha eludido la detección, principalmente porque la probabilidad de ver el efecto es infinitesimalmente pequeña, lo que requiere enormes aceleraciones o grandes cantidades de tiempo de observación. Pero los investigadores del MIT y la Universidad de Waterloo creen que han encontrado una manera de aumentar significativamente la probabilidad de observar el efecto Unruh, que detallan en un estudio que aparece en Physical Review Letters.
En lugar de observar el efecto espontáneamente como otros han intentado en el pasado, el equipo propone estimular el fenómeno, de una manera muy particular que mejora el efecto Unruh mientras suprime otros efectos competitivos. Los investigadores comparan su idea con lanzar una capa de invisibilidad sobre otros fenómenos convencionales, que luego deberían revelar el efecto Unruh mucho menos obvio.
Si se puede realizar en un experimento práctico, este nuevo enfoque estimulado, con una capa adicional de invisibilidad (o «transparencia inducida por la aceleración», como se describe en el documento) podría aumentar enormemente la probabilidad de observar el efecto Unruh. En lugar de esperar más tiempo que la edad del universo para que una partícula acelerada produzca un brillo cálido como predice el efecto Unruh, el enfoque del equipo reduciría ese tiempo de espera a unas pocas horas.
«Ahora, al menos, sabemos que hay una posibilidad en nuestras vidas en la que realmente podríamos ver este efecto», dice el coautor del estudio Vivishek Sudhir, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT, quien está diseñando un experimento para detectar el efecto basado en la teoría del grupo. «Es un experimento difícil, y no hay garantía de que podamos hacerlo, pero esta idea es nuestra esperanza más cercana».
Los coautores del estudio también incluyen a Barbara Šoda y Achim Kempf de la Universidad de Waterloo.
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El efecto Unruh también se conoce como el efecto Fulling-Davies-Unruh, en honor a los tres físicos que lo propusieron inicialmente. La predicción establece que un cuerpo que está acelerando a través de un vacío debería, de hecho, sentir la presencia de radiación caliente puramente como un efecto de la aceleración del cuerpo. Este efecto tiene que ver con las interacciones cuánticas entre la materia acelerada y las fluctuaciones cuánticas dentro del vacío del espacio vacío.
Para producir un resplandor lo suficientemente cálido como para que los detectores lo midan, un cuerpo como un átomo tendría que acelerar a la velocidad de la luz en menos de una millonésima de segundo. Tal aceleración sería equivalente a una fuerza g de un cuatrillón de metros por segundo al cuadrado (un piloto de combate generalmente experimenta una fuerza g de 10 metros por segundo al cuadrado).
«Para ver este efecto en un corto período de tiempo, tendrías que tener una aceleración increíble», dice Sudhir. «Si, en cambio, tuvieras una aceleración razonable, tendrías que esperar una enorme cantidad de tiempo, más que la edad del universo, para ver un efecto medible».
¿Cuál sería, entonces, el punto? Por un lado, dice que observar el efecto Unruh sería una validación de las interacciones cuánticas fundamentales entre la materia y la luz. Y por otro lado, la detección podría representar un espejo del efecto Hawking, una propuesta del físico Stephen Hawking que predice un brillo térmico similar, o «radiación de Hawking», a partir de las interacciones de luz y materia en un campo gravitacional extremo, como alrededor de un agujero negro.
«Hay una estrecha conexión entre el efecto Hawking y el efecto Unruh: son exactamente el efecto complementario entre sí», dice Sudhir, quien agrega que si uno observara el efecto Unruh, «uno habría observado un mecanismo que es común a ambos efectos».
Una trayectoria transparente
Se predice que el efecto Unruh ocurrirá espontáneamente en el vacío. Según la teoría cuántica de campos, un vacío no es simplemente un espacio vacío, sino más bien un campo de fluctuaciones cuánticas inquietas, con cada banda de frecuencia midiendo aproximadamente el tamaño de la mitad de un fotón. Unruh predijo que un cuerpo que acelera a través del vacío debería amplificar estas fluctuaciones, de una manera que produzca un resplandor térmico cálido de partículas.
En su estudio, los investigadores introdujeron un nuevo enfoque para aumentar la probabilidad del efecto Unruh, al agregar luz a todo el escenario, un enfoque conocido como estimulación.
«Cuando agregas fotones al campo, estás agregando ‘n’ veces más de esas fluctuaciones que este medio fotón que está en el vacío», explica Sudhir. «Por lo tanto, si aceleras a través de este nuevo estado del campo, esperarías ver efectos que también escalen ‘n’ veces lo que verías solo con el vacío».
Sin embargo, además del efecto Unruh cuántico, los fotones adicionales también amplificarían otros efectos en el vacío, un inconveniente importante que ha impedido que otros cazadores del efecto Unruh adopten el enfoque de estimulación.
Šoda, Sudhir y Kempf, sin embargo, encontraron una solución, a través de la «transparencia inducida por la aceleración», un concepto que introducen en el documento. Mostraron teóricamente que si se pudiera hacer que un cuerpo como un átomo acelerara con una trayectoria muy específica a través de un campo de fotones, el átomo interactuaría con el campo de tal manera que los fotones de cierta frecuencia parecerían esencialmente invisibles para el átomo.
«Cuando estimulamos el efecto Unruh, al mismo tiempo también estimulamos los efectos convencionales o resonantes, pero demostramos que al diseñar la trayectoria de la partícula, esencialmente podemos desactivar esos efectos», dice Šoda.
Al hacer que todos los demás efectos sean transparentes, los investigadores podrían tener una mejor oportunidad de medir los fotones, o la radiación térmica proveniente solo del efecto Unruh, como predijeron los físicos.
Los investigadores ya tienen algunas ideas sobre cómo diseñar un experimento basado en su hipótesis. Planean construir un acelerador de partículas del tamaño de un laboratorio capaz de acelerar un electrón para acercarse a la velocidad de la luz, que luego estimularían utilizando un rayo láser en longitudes de onda de microondas. Están buscando formas de diseñar el camino del electrón para suprimir los efectos clásicos, mientras amplifican el elusivo efecto Unruh.
«Ahora tenemos este mecanismo que parece amplificar estadísticamente este efecto a través de la estimulación», dice Sudhir. «Dada la historia de 40 años de este problema, ahora en teoría hemos solucionado el mayor cuello de botella».