Una nueva teoría «detecta» la luz en la oscuridad de un vacío.

Los agujeros negros son regiones del espacio-tiempo con enormes cantidades de gravedad. Los científicos originalmente creían que nada podía escapar a los límites de estos objetos masivos, incluida la luz.

La naturaleza precisa de los agujeros negros ha sido cuestionada desde que la teoría de la relatividad general de Albert Einstein dio lugar a la posibilidad de su existencia. Uno de los descubrimientos más famosos fue la predicción del físico inglés Stephen Hawking de que ciertas partículas se emiten de hecho en el borde de un agujero negro.

Los físicos también han explorado cómo funcionan las aspiradoras. A principios de la década de 1970, mientras Hawking describía cómo la luz puede escapar de la atracción gravitacional de un agujero negro, el físico canadiense William Unruh propuso que un fotodetector acelerado lo suficientemente rápido podría «ver» la luz en el vacío.

Una nueva investigación de Dartmouth avanza estas teorías al detallar una forma de producir y detectar luz que antes se consideraba no observable.

“En el experimento propuesto, que se muestra aquí, una membrana de diamante sintético del tamaño de un sello postal que contiene detectores de luz a base de nitrógeno se suspende en una caja de metal sobreenfriada que crea un vacío. La membrana, que actúa como un trampolín cautivo, se acelera a velocidades masivas, produciendo fotones. Crédito: Animación de LaDarius Dennison / Dartmouth College

«En el día a día, los resultados parecen sugerir sorprendentemente la capacidad de producir luz a partir del vacío», dijo Miles Blencowe, profesor emérito de física de Eleanor y A. Kelvin Smith en Dartmouth e investigador principal del estudio. “Básicamente producimos algo desde cero; la idea de eso es realmente genial.

En la física clásica, se considera que el vacío es la ausencia de materia, luz y energía. En física cuántica, el vacío no está tan vacío, sino que está lleno de fotones que fluctúan dentro y fuera de la existencia. Sin embargo, esta luz es prácticamente imposible de medir.

Parte de la teoría de la relatividad general de Einstein, el «principio de equivalencia», vincula la predicción de Hawking de la radiación de los agujeros negros con la predicción de Unruh de la aceleración de los fotodetectores que ven la luz. L’équivalence dit que la gravité et l’accélération sont fondamentalement indiscernables : une personne dans un ascenseur sans fenêtre et en accélération ne serait pas en mesure de déterminer si elles subissent l’action de la gravité, d’une force d’inertie ou de los dos.

Por lo tanto, si la gravedad de los agujeros negros puede crear fotones en el vacío, también puede hacerlo la aceleración.

Con la ciencia ya demostrando que es posible observar la luz en el vacío, el equipo de Dartmouth se propuso encontrar una forma práctica de detectar fotones.

Miles Blencowe de Dartmouth, profesor emérito de física Eleanor y A. Kelvin Smith, y Hui Wang, investigador postdoctoral, describieron un experimento que podría permitir a los investigadores producir y detectar luz en el vacío. Crédito: Robert Gill / Dartmouth College

La teoría de la investigación de Dartmouth, publicada en Nature Research’s Física de las comunicaciones, predice que las imperfecciones a base de nitrógeno en una membrana de diamante de rápida aceleración pueden realizar la detección.

En el experimento propuesto, un diamante sintético del tamaño de un sello postal que contiene los detectores de luz a base de nitrógeno se suspende en una caja de metal superenfriada que crea un vacío. La membrana, que actúa como un trampolín cautivo, se acelera a velocidades masivas.

El artículo de investigación explica que la producción de fotones resultante de vacío en la cavidad se mejora y se mide colectivamente, con la producción de fotones de vacío sometidos a una transición de fase de una fase normal a una «fase láser inversa tipo superradiante mejorada» cuando el número de detectores excede un valor crítico. .

«El movimiento del diamante produce fotones», dijo Hui Wang, un investigador postdoctoral que escribió el artículo teórico mientras era estudiante de posgrado en Dartmouth. «En esencia, todo lo que tienes que hacer es agitar algo lo suficientemente fuerte como para producir fotones entrelazados».

El artículo de Dartmouth estudia el uso de múltiples detectores de fotones (defectos de diamante) para amplificar la aceleración de la membrana y aumentar la sensibilidad de detección. La oscilación del diamante también permite que la experiencia se desarrolle en un espacio controlable a velocidades de aceleración intensas.

“Nuestro trabajo es el primero en explorar lo que sucede cuando hay varios fotodetectores de aceleración en lugar de uno”, dijo Blencowe. «Hemos descubierto un efecto de amplificación mejorado cuántico para la creación de luz a partir de un vacío, donde el efecto colectivo de los muchos detectores de aceleración es más importante que mirarlos individualmente».

Para confirmar que los fotones detectados provienen del vacío y no del entorno circundante, el equipo muestra que la teoría observa «luz enredada», una característica distintiva de la mecánica cuántica que no puede provenir de la radiación exterior.

«Los fotones detectados por el diamante se producen en pares», dijo Hui. «Esta producción de fotones emparejados y entrelazados es una prueba de que los fotones se producen en el vacío y no a partir de alguna otra fuente».

La propuesta de observar la luz en el vacío no tiene aplicabilidad inmediata, pero el equipo de investigación espera que contribuya a la comprensión de las fuerzas físicas que contribuyen a la sociedad de la misma manera que lo hacen otras investigaciones teóricas. En particular, el trabajo puede ayudar a arrojar luz experimental sobre la predicción de Hawking para la radiación de los agujeros negros a través de la lente del principio de equivalencia de Einstein.

“Parte de la responsabilidad y la alegría de ser teóricos como nosotros es tener ideas”, dijo Blencowe. «Estamos tratando de demostrar que es posible tener esta experiencia, de probar algo que hasta ahora ha sido extraordinariamente difícil».

Una animación técnica producida por el equipo ilustra la creación de fotones mediante el experimento. La luz detectada existe a la frecuencia de microondas, por lo que no es visible para el ojo humano.

Referencia: «Amplificación coherente de la producción de fotones del vacío con una densa nube de fotodetectores en aceleración» por Hui Wang y Miles Blencowe, 10 de junio de 2021, Física de las comunicaciones.
DOI: 10.1038 / s42005-021-00622-3

La investigación fue apoyada por la National Science Foundation.