Usando excitações atômicas para medir a rotação do espaço-tempo

Como os átomos se comportam perto de um objeto massivo? Sabemos como os átomos se comportam sob uma gravidade extremamente fraca, como os da Terra: eles podem passar de um nível de energia mais baixo para um mais alto quando um elétron absorve um fóton ou quando um núcleo absorve um raio gama, e assim por diante. Mas e se o átomo estivesse num campo gravitacional forte, como aquele próximo de um buraco negro supermassivo em rotação ou de uma estrela de neutrões em rotação?

Dois cientistas do Centro de Pesquisa em Ciência da Computação de Pequim, na China, descobriram que a quantidade de excitação também depende da rapidez com que o espaço-tempo gira fora do objeto massivo. Na verdade, dizem eles, a imagem inversa poderia ser útil: medir mudanças em um conjunto de excitações poderia ser usado para determinar a velocidade de rotação do espaço-tempo, um fenômeno chamado arrasto de quadro.

Os resultados são Foi publicado sobre Arksif Servidor de pré-impressão.

A atração do quadro é uma previsão da teoria da gravidade de Einstein, chamada relatividade geral. Assim como um buraco negro estacionário distorce o espaço-tempo ao seu redor, dando origem a um horizonte de eventos e a uma aparente singularidade em seu centro, os físicos austríacos Josef Lens e Hans Thiering descobriram em 1918 que a rotação de um objeto massivo puxaria o espaço-tempo para perto dele em a direção da rotação.

Assim, as medições de distância e ângulo mudarão perto da massa, e o tempo e o espaço podem ser parcialmente confundidos para um observador distante.

Este efeito é conhecido como efeito Lens-Thuring e existe mesmo no limite do “campo fraco” das equações de Einstein, como no espaço-tempo próximo ao horizonte de eventos de um buraco negro, onde a gravidade não é excessivamente forte (mas mais forte). do que na Terra).

A NASA e outros grupos encontraram evidências astronômicas de que ocorre deslizamento de pneus, embora os pesquisadores digam que as medições precisam ser mais precisas. A velocidade de rotação depende do momento angular do bloco (quão rápido ele está girando) e da massa, bem como da distância dele.

Neste estudo, os cientistas presumiram uma pequena massa (como um átomo ou outro objeto contendo níveis de energia) rodeada por um campo quântico simples e onipresente fora da massa central rotativa.

As partículas associadas a um campo quântico têm spin zero (no sentido da mecânica quântica); Um exemplo é o campo eletromagnético, onde os portadores de força no campo, os fótons, têm spin zero. A frequência angular do arrasto do quadro é refletida na taxa de excitação do átomo?

No caso mais simples de um buraco negro não giratório, a chamada “solução de Schwarzschild” das equações de Einstein, não há deslizamento de quadro. Sabe-se que o átomo estacionário será excitado pela radiação Hawking do buraco negro, que é a radiação emitida com o espectro de frequência de um corpo negro lançado no horizonte de eventos que circunda o buraco negro. A taxa de excitação do átomo contém informações sobre a força do campo gravitacional no horizonte de eventos.

No entanto, para um buraco negro massivo em rotação, que tem a chamada solução de Kerr (que só foi descoberta em 1963), não existem horizontes de eventos reais nem singularidades. O espaço de Kerr exibe deslizamento de quadro, mas o átomo estacionário não seria excitado.

Ao contrário da solução de Schwarzschild, a solução de Kerr é uma solução precisa da estrutura do espaço-tempo, mesmo para massas muito grandes e forte gravidade. Portanto, os co-autores Rui-Chin Liu e CB Sun estudaram o caso de um átomo movendo-se em círculo com velocidade constante no espaço-tempo Kerr.

Eles “quantizaram” o campo de spin zero, ou seja, trataram-no segundo as regras da mecânica quântica (o que difere das famosas equações de Maxwell que tratam os campos eletromagnéticos como clássicos, sem fótons ou partículas de spin zero). Juntando tudo isso e trabalhando com a matemática, os dois descobriram que o átomo seria excitado.

Eles também descobriram que a taxa de excitação – o número de excitações por segundo – é a mesma de um átomo imerso em um banho de calor (cercado por energia) a uma temperatura proporcional à aceleração do átomo enquanto ele gira em círculo. . Isto é semelhante ao efeito Unruh, onde um átomo em aceleração constante no vácuo vazio, mesmo em linha reta, vê partículas e um banho de calor com uma temperatura muito pequena, mas diferente de zero.

Para analisar melhor, Liu e Sun estudaram diferentes energias de excitação de átomos girando em diferentes velocidades e diferentes distâncias da massa central e descobriram que todas as taxas de excitação apareciam entre 0 e o limite superior para todos os valores da frequência de rotação de tração de quadro. .

“O efeito de tração de quadro gera uma taxa de excitação característica para átomos em movimento circular”, escrevem eles. Este limite superior pode ser medido e a frequência de rotação do arrasto do pneu pode ser deduzida dele e do raio de movimento.

Os pesquisadores destacam que sua abordagem utiliza propriedades não locais de campos quânticos, também conhecidas como emaranhamento, usando medições que não dependem de calibrações estelares tradicionais, que usam estrelas com propriedades de luz conhecidas para determinar a qualidade e confiabilidade dos sensores do telescópio. .

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