Comentario Adicional sobre el Efecto Unruh Estimulado: Estudio de los Efectos Cuánticos en los Campos Gravitatorios

Por: William Brown, Biofísico de Resonance Science Foundation

En un artículo anterior, la Dra. Inés Urdaneta, física de RSF, habló de una propuesta de estudio para sondear el efecto Unruh con óptica cuántica [1]. Debido a la importancia de los experimentos que sondean los efectos cuánticos en los campos gravitatorios y para dilucidar la naturaleza del vacío cuántico, echaremos otro vistazo a este experimento propuesto y expondremos algunas de las ideas clave del estudio.

Como explicó la Dra. Urdaneta en el artículo anterior, la importancia de sondear el efecto Unruh tiene que ver con su relación con los efectos gravitatorios cuánticos a través del principio de equivalencia descrito por primera vez por Albert Einstein. Einstein es bien conocido por su trabajo seminal sobre la teoría de la relatividad, que se refiere al comportamiento de los relojes y las reglas bajo marcos de referencia acelerados y no acelerados, y a la relatividad de la simultaneidad que resulta de la invariancia de la velocidad de la luz respecto a cualquier marco de referencia. Sin embargo, el campo en el que fue más prestigioso por la comunidad científica fue en el estudio de la interacción luz-materia, del que recibió el Premio Nobel de Física en 1921 por su descubrimiento de la ley del efecto fotoeléctrico. Ahora quizás le complacería ver que se propone la unión de sus dos contribuciones más importantes a la física para estudiar empíricamente las interacciones luz-materia de los sistemas a velocidades relativistas y, por equivalencia, los efectos cuánticos (como el efecto fotoeléctrico) dentro de los campos gravitatorios.

El efecto fotoeléctrico es un proceso resonante en el que el campo electromagnético es resonante con la transición atómica de un átomo, lo que da lugar a tres comportamientos paradigmáticos: la emisión espontánea, la emisión estimulada y la absorción (véase el artículo de la Dra. Urdaneta Qué es la Resonancia y Por Qué es Tan Importante para saber más sobre la resonancia y su papel en las interacciones luz-materia). El estudio de las interacciones luz-materia, como el efecto fotoeléctrico, ha permitido más de un avance tecnológico importante, como la amplificación de la luz mediante emisión estimulada de radiación, o LASER.

En la mayoría de las interacciones luz-materia que se han estudiado hasta ahora, como los láseres, la interacción resonante del campo de radiación con los átomos domina el comportamiento del sistema y la mayoría de los proyectos de ingeniería se han centrado en reforzar la interacción individual de los fotones con los sistemas individuales de átomos. Sin embargo, hay una consideración teórica: ¿qué ocurriría con la interacción luz-materia en tales sistemas bajo aceleración, es decir, movimiento no inercial? Una predicción teórica sorprendente para tal condición es que los átomos en aceleración experimentarán un campo térmico incluso cuando el campo sea percibido como en el estado de vacío (y por lo tanto no emita fotones) por observadores en marcos de referencia no acelerados.

Esto se denomina efecto Unruh, en el que el campo cuántico del vacío revela un valor energético distinto de cero mediante la emisión espontánea de fotones para los observadores que aceleran, y por el principio de equivalencia es un efecto idéntico al de la radiación Hawking, en el que el vacío cuántico alrededor de objetos fuertemente gravitatorios -como los agujeros negros- se termaliza. Los dos efectos son realmente uno y el mismo y son el resultado de la generación de un horizonte de sucesos (véase la imagen de abajo):

En ambos casos, se prevé que el efecto Unruh-Hawking sea sutil: para agujeros negros muy grandes y para aceleraciones que se acercan a la velocidad de la luz, el aumento de la termalización del campo cuántico es de alrededor de 1 Kelvin, lo suficiente para ver un resplandor del vacío. Por ello, el efecto sigue siendo teórico, ya que se pensaba que las condiciones experimentales necesarias para probar el efecto estaban fuera de las capacidades tecnológicas de los laboratorios de la Tierra: no existen tecnologías de control gravitatorio, por lo que generar una singularidad no es factible, y los aceleradores de partículas no se construyen para estudiar partículas individuales bajo aceleraciones relativistas (se construyen para acelerar muchos hadrones y hacerlos chocar). Por tanto, la investigación experimental del postulado gravitacional cuántico sigue siendo difícil.

En algunos sistemas de agujeros negros anaálogos se ha observado radiación Hawking análoga; véase, por ejemplo en Tunable Quantum Entanglement in Stimulated Hawking Radiation in an Analog White-Black Hole Pair [2]. Sin embargo, un nuevo estudio ha propuesto una forma de ver directamente los efectos teóricos mediante la colocación de átomos en determinadas trayectorias de aceleración que dan lugar a la emisión estimulada de radiación Unruh sin necesidad de un acoplamiento ultrafuerte, es decir, el estado puede ser inducible en condiciones normales de laboratorio. Los detalles de esta notable conclusión de que puede ser posible estimular el efecto Unruh se describen en una reciente publicación en Physical Review Letters por un esfuerzo conjunto de investigadores del Instituto Perimeter de Física Teórica y el MIT [3]. 

En la publicación, el equipo de investigación describe cómo determinadas trayectorias de aceleración de los átomos hacen que las interacciones resonantes convencionales entre la luz y la materia se reduzcan o incluso se supriman por completo y que los efectos no resonantes pasen a dominar, lo que conduce, por ejemplo, a la "transparencia inducida por la aceleración", en la que un sistema atómico deja de absorber o reflejar la luz (lo que requiere interacciones resonantes) y puede volverse totalmente transparente. Así pues, hay dos descubrimientos de la materia acelerada que el equipo de investigación postula.

La transparencia inducida por la aceleración significa que un solo átomo puede servir como "detector del efecto Unruh", de modo que, bajo ciertas aceleraciones, el átomo se vuelve "transparente" a las transiciones atómicas resonantes normales que se observan en las interacciones luz-materia no aceleradas (inerciales), de modo que cuando se estimula con un láser, la emisión Unruh puede aislarse e identificarse, ya que todas las demás emisiones se silencian. La probabilidad de observar el efecto Unruh aumenta con el número de fotones que interactúan con el átomo acelerado, por lo que utilizando un láser suficientemente potente el efecto debería ser medible.

Einstein también nos enseñó el principio de equivalencia, según el cual los efectos de la aceleración son exactamente equivalentes a los de la gravitación, por lo que, por extensión, también debería existir una "transparencia inducida por la gravedad". Las dos propiedades del campo cuántico descritas por el estudio podrían entonces utilizarse también potencialmente para estimular la radiación de Hawking, que, al igual que la radiación de Unruh, no se ha observado empíricamente (y, por tanto, no se ha apoyado en la experimentación directa). El átomo acelerado pasará de ser un "detector de efecto Unruh" a un "detector de efecto Hawking". El átomo acelerado se convertirá así en el equivalente a un agujero negro microscópico -lo que, si se estudia en el trabajo del físico Nassim Haramein, se sabe que es una equivalencia adecuada, ya que los protones son agujeros negros microscópicos-, siendo la termalización o el brillo alrededor del átomo la emisión Hawking estimulada.

Ciertamente, si el experimento se lleva a cabo y se publican los datos, compartiremos los resultados aquí en Resonance Science Foundation, así como sus implicaciones para la física unificada, ¡así que estén atentos!

Referencias

[1] Ines Urdaneta, midiendo-el-efecto-unruh-con-optica-cuantica, Resonance Science Foundation, May 2022. 

[2] William Brown,Tunable Quantum Entanglement in Stimulated Hawking Radiation in an Analog White-Black Hole Pair, Resonance Science Foundation, May 2022.

[3] Barbara Šoda, Vivishek Sudhir, and Achim Kempf, Acceleration-Induced Effects in Stimulated Light-Matter Interactions. Phys. Rev. Lett. 128, 163603 – Published 21 April 2022. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.163603