Группа учёных из Японии предложила оригинальный метод для окончательного обнаружения загадочного эффекта Унру — предсказанного «фантомного тепла», возникающего при ускорении в квантовом вакууме. Фото: Stock

Полученные результаты решают давнюю проблему фундаментальной физики.

Ученые из Университета Хиросимы создали практичный и высокочувствительный метод обнаружения эффекта Унру — долгожданного явления, которое находится на стыке теории относительности и квантовой теории. Эта новая стратегия не только способствует изучению фундаментальной физики, но и открывает возможности для будущих технологических применений.

Работа была недавно опубликована в журнале Physical Review Letters.

Эффект Фуллинга — Дэвиса — Унру, который часто называют просто эффектом Унру, — это глубокая теоретическая концепция, связывающая теорию относительности Альберта Эйнштейна с квантовой теорией. «В квантовой теории даже вакуум пронизан крошечными энергетическими флуктуациями, в результате которых на короткое время появляются и исчезают частицы и античастицы. Примечательно, что эффект Унру показывает, что восприятие этих «вакуумных рябей» зависит от движения наблюдателя. Неподвижный наблюдатель ничего не видит, но наблюдатель, движущийся с ускорением, воспринимает их как реальные частицы с распределением тепловой энергии — «квантовое тепло», — объяснил Нориюки Хатакенака, почётный профессор Университета Хиросимы.

Циркулирующая пара флюксон — антифлюксон в связанных кольцевых джозефсоновских переходах ведёт себя как детектор. Пара распадается из-за флуктуаций, вызванных эффектом Унру, и это событие проявляется в виде скачка напряжения. Измерив распределение соответствующих токов переключения, можно обнаружить эффект Унру. Источник: Харуна Катаяма и Нориюки Хатакенака, Университет Хиросимы

Это неожиданное предсказание подчёркивает глубокую взаимосвязь между двумя краеугольными камнями современной физики. Экспериментальное подтверждение эффекта Унру не только объединит аспекты теории относительности и квантовой механики, но и позволит получить ценные сведения о самой структуре пространства-времени. Однако добиться такого подтверждения — одна из самых сложных задач в физике.

Преодоление экстремальных пределов ускорения

«Основная проблема заключалась в чрезвычайно высоких ускорениях — порядка 1020 м/с2 — необходимых для того, чтобы этот эффект можно было обнаружить. Это делало его наблюдение практически невозможным при использовании современных технологий, по крайней мере в системах линейного ускорения», — сказал Харуна Катаяма, доцент Университета Хиросимы.

Группа учёных из Университета Хиросимы представила новую стратегию обнаружения эффекта Унру. «Наша работа направлена на преодоление этого фундаментального препятствия путём предложения нового и осуществимого экспериментального метода. Мы используем круговое движение метастабильных пар флюксон-антифлюксон в связанных кольцевых джозефсоновских переходах», — объяснил Хатакенака. Благодаря прогрессу в области сверхпроводящей микрообработки теперь можно создавать схемы с чрезвычайно малыми радиусами. Эти компактные конструкции обеспечивают исключительно высокое эффективное ускорение и приводят к тому, что температура Унру составляет несколько кельвинов — достаточно много, чтобы её можно было измерить с помощью существующих технологий.

Скачки напряжения как измеряемые сигналы

«Мы предложили реалистичный, высокочувствительный и однозначный метод обнаружения неуловимого эффекта Унру. Наша система предлагает чёткий путь для экспериментального наблюдения этого «фантомного тепла» ускорения», — сказал Катаяма. В их инновационной установке «квантовое тепло», вызванное круговым ускорением, вызывает флуктуации, которые приводят к расщеплению метастабильных пар флюкон-антифлюкон.

Важно отметить, что это событие расщепления проявляется в виде явного макроскопического скачка напряжения в сверхпроводящей цепи. Этот скачок напряжения служит неоспоримым и легко измеримым сигналом, напрямую указывающим на наличие эффекта Унру. Статистически анализируя распределение этих скачков напряжения, исследователи могут точно измерить температуру Унру с высокой точностью.

«Одним из самых удивительных аспектов является то, что микроскопические квантовые флуктуации могут вызывать внезапные макроскопические скачки напряжения, что позволяет напрямую наблюдать неуловимый эффект Унру. Ещё более поразительно то, что распределение переключений меняется только в зависимости от ускорения, в то время как все остальные параметры остаются неизменными — это явный статистический признак самого эффекта Унру», — сказал Хатакенака.

Будущие направления в квантовых исследованиях

Забегая вперёд, Катаяма сказал: «Наш следующий шаг — провести детальный анализ процессов распада пар флюксон-антифлюксон. Это включает в себя тщательное изучение роли макроскопического квантового туннелирования — квантово-механического явления, при котором частицы могут проходить через потенциальные барьеры, что не было подробно изучено в этой первоначальной работе. Понимание этих сложных механизмов распада будет иметь решающее значение для совершенствования экспериментального обнаружения эффекта Унру».

Их конечная цель в этом исследовании многогранна. Помимо непосредственного обнаружения, они стремятся изучить потенциальные связи между этим явлением и другими квантовыми полями, связанными с их детектором. «Мы надеемся, что, углубив наше понимание этих новых квантовых явлений, мы внесём значительный вклад в поиск единой теории всех физических законов», — сказал Хатакенака.

Исследователи отмечают, что высокочувствительные и универсальные возможности обнаружения, разработанные в рамках этого исследования, открывают огромные перспективы для будущих приложений, особенно в области передовых квантовых сенсорных технологий. «Мы надеемся, что эта работа откроет новые горизонты в фундаментальной физике и вдохновит на дальнейшие исследования истинной природы пространства-времени и квантовой реальности», — сказал Катаяма.

Ссылка: «Эффект Фуллера — Дэвиса — Унру с круговым движением в связанных кольцевых джозефсоновских переходах» Харуны Катаямы и Нориюки Хатакенаки, 23 июля 2025 г., Physical Review Letters. DOI: 10.1103/mn34-7bj5