Utilizzando le eccitazioni atomiche per misurare la rotazione dello spaziotempo

29 agosto 2024 caratteristica

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di David Appell, Phys.org

Come si comporterebbero gli atomi vicino a un oggetto supermassiccio? Sappiamo come gli atomi si comportano in una gravità estremamente debole come quella in superficie terrestre: posson essere eccitati da un livello energetico inferiore a uno superiore quando un elettrone assorbe un fotone o un nucleo assorbe un raggio gamma, eccetera. Ma cosa succede se l'atomo è in un campo gravitazionale forte come quello vicino a buco nero supermassiccio rotante o una stella di neutroni rotante?

Due scienziati del Beijing Computational Science Research Center in Cina hanno determinato che la quantità di eccitazione dipenderebbe anche da quanto velocemente lo spaziotempo viene ruotato intorno all'oggetto massiccio. In effetti, dicono che l'immagine inversa potrebbe essere utile: Misurare le variazioni in un insieme di eccitazioni potrebbe essere usato per determinare quanto veloce sia la rotazione dello spaziotempo, un fenomeno chiamato trascinamento del riferimento.

Scoperte pubblicate sul server preprint arXiv.

Il trascinamento del riferimento è una previsione della teoria della gravità di Einstein chiamata relatività generale. Proprio come un buco nero stazionario deforma lo spaziotempo intorno ad esso, risultando in un orizzonte degli eventi e una singolarità apparente al suo centro, nel 1918 i fisici austriaci Josef Lense e Hans Thirring hanno scoperto che la rotazione di un oggetto massiccio trascinerebbe lo spaziotempo vicino ad esso nella direzione della rotazione.

Le misurazioni di distanze e angoli sarebbero così modificate vicino alla massa, e lo spazio e il tempo potrebbero essere anche parzialmente mescolati rispetto a un osservatore lontano.

Noto come effetto Lense-Thirring, l'effetto esiste anche nel limite di "campo debole" delle equazioni di Einstein, come lo spaziotempo vicino all'orizzonte degli eventi di un buco nero, dove la gravità non è eccessivamente forte (ma più forte che sulla Terra).

La NASA e altri gruppi hanno trovato prove astronomiche del trascinamento del riferimento, anche se i ricercatori affermano che le misurazioni devono essere migliorate. La velocità di rotazione del trascinamento dipende dal momento angolare della massa (quanto velocemente sta ruotando) e dalla massa, così come la distanza da essa.

In questo studio, gli scienziati hanno ipotizzato una piccola massa (come un atomo o un altro oggetto con livelli energetici) circondata da un campo quantistico semplice che esiste ovunque al di fuori della massa rotante centrale.

Le particelle associate al campo quantistico hanno spin zero (nel senso meccanico quantistico); un esempio sarebbe un campo elettromagnetico, dove i portatori di forza del campo, i fotoni, hanno spin zero. La frequenza angolare del trascinamento del riferimento si rifletterebbe nel tasso di eccitazione di un atomo?

Nel caso più semplice di un buco nero non rotante, la cosiddetta 'soluzione di Schwarzschild' delle equazioni di Einstein, non c'è trascinamento del riferimento. È noto che un atomo a riposo sarebbe eccitato dalla radiazione di Hawking del buco nero, una radiazione emessa con lo spettro di frequenza di un corpo nero che viene rilasciato all'orizzonte degli eventi circondante il buco nero. Il tasso di eccitazione dell'atomo contiene informazioni sulla forza del campo gravitazionale all'orizzonte degli eventi.

Tuttavia, per un buco nero massiccio rotante, che ha la cosiddetta 'soluzione di Kerr' (non trovata fino al 1963), non ci sono veri orizzonti degli eventi e singolarità. Lo spaziotempo di Kerr mostra trascinamento del riferimento, ma un atomo a riposo non sarebbe eccitato.

A differenza della soluzione di Schwarzschild, la soluzione di Kerr è una soluzione esatta per la struttura dello spaziotempo anche per masse molto grandi e forti gravità. Quindi i coautori Rui-Chen Liu e C. P. Sun hanno considerato il caso di un atomo che viaggia in cerchio a velocità costante nello spaziotempo di Kerr.

Hanno 'quantizzato' il campo a spin zero, cioè lo hanno trattato in accordo con le regole della meccanica quantistica (diversamente dalle famose equazioni di Maxwell che trattano i campi elettromagnetici come classici, senza fotoni o particelle a spin zero). Mettendo tutto questo insieme e lavorando attraverso le equazioni, i due hanno scoperto che un atomo sarebbe eccitato.

Hanno inoltre scoperto che il tasso di eccitazione il numero di eccitazioni al secondo è lo stesso di un atomo immerso in un bagno termico (circondato da energia) a una temperatura proporzionale all'accelerazione dell'atomo mentre si muove in cerchio. Questo è simile all'effetto di Unruh, in cui un atomo soggetto a una costante accelerazione in un vuoto vuoto, anche in una linea retta, vedrebbe delle particelle e un bagno termico con una temperatura estremamente piccola ma non nulla.

Per approfondire la loro analisi, Liu e Sun hanno considerato varie energie di eccitazione per gli atomi che ruotano a diverse velocità e a diverse distanze dalla massa centrale e hanno scoperto che i tassi di eccitazione sono tutti compresi tra 0 e un limite superiore per tutti i valori della frequenza di rotazione dovuta all'attrito dello spazio-tempo. Essi scrivono: "L'effetto di trascinamento del telaio genera un tasso di eccitazione distinto per gli atomi in moto circolare". Questo limite superiore potrebbe essere misurato, e il tasso di rotazione della frequenza di rotazione dovuta all'attrito dello spazio-tempo potrebbe essere dedotto da esso e dal raggio del moto. Essi notano che il loro approccio utilizza le proprietà non locali dei campi quantistici, conosciute anche come intrico quantistico, utilizzando misurazioni che non dipendono dalla calibrazione stellare tradizionale, che utilizza stelle con proprietà luminose note per determinare la qualità e l'affidabilità dei sensori su un telescopio. Ulteriori informazioni: Rui-Chen Liu et al, L'effetto di trascinamento del telaio sul tasso di eccitazione degli atomi, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2408.13016 Informazioni sulla rivista: arXiv © 2024 Science X Network