Het gebruik van atomaire excitaties om de rotatie van ruimtetijd te meten

29 augustus 2024

Kenmerk

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en de beleidsregels van Science X. Redacteuren hebben de volgende eigenschappen benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgen:

• feiten gecontroleerd
• preprint
• vertrouwde bron
• nagelezen

door David Appell, Phys.org

Hoe zouden atomen zich gedragen in de buurt van een supermassief object? We weten hoe atomen zich gedragen in een extreem zwakke zwaartekracht, zoals die aan het oppervlak van de aarde: Ze kunnen worden geëxciteerd vanuit een lagere energieniveau naar een hogere wanneer een elektron een foton absorbeert of een kern een gammastraal absorbeert, enzovoort. Maar wat als het atoom zich bevindt in een sterke zwaartekrachtveld zoals die in de buurt van een supermassief, roterend zwart gat of roterende neutronenster?

Twee wetenschappers van het Beijing Computational Science Research Center in China hebben vastgesteld dat de mate van excitatie ook afhangt van hoe snel de ruimtetijd draait rondom het massieve object. Sterker nog, zeggen ze, het tegenovergestelde plaatje kan handig zijn: Het meten van de veranderingen in een reeks excitaties kan worden gebruikt om te bepalen hoe snel de ruimtetijd draait, een fenomeen dat frame dragging wordt genoemd.

De bevindingen zijn geplaatst op de arXiv preprint-server.

Frame dragging is een voorspelling van Einsteins zwaartekrachttheorie, algemene relativiteit. Net zoals een stilstaand zwart gat de ruimtetijd om zich heen vervormt, resulterend in een gebeurtenishorizon en een schijnbaar singulariteit in het centrum, ontdekten de Oostenrijkse natuurkundigen Josef Lense en Hans Thirring in 1918 dat de rotatie van een massief object de ruimtetijd rondom zich heen zou slepen in de richting van rotatie.

De metingen van afstanden en hoeken zouden daarom veranderen in de buurt van de massa, en ruimte en tijd zouden zelfs deels door elkaar kunnen worden gemengd ten opzichte van een waarnemer ver weg.

Bekend als het Lense-Thirring effect, het effect bestaat zelfs in de 'zwak veld' limiet van Einsteins vergelijkingen, net als de ruimtetijd dicht bij de gebeurtenishorizon van een zwart gat, waar de zwaartekracht niet overdreven sterk is (maar sterker dan op aarde).

NASA en andere groepen hebben astronomisch bewijs gevonden van frame dragging, hoewel onderzoekers zeggen dat de metingen strakker moeten worden gemaakt. De roterende snelheid van slepen hangt af van het impulsmoment van de massa (hoe snel het draait) en de massa, evenals de afstand ervan.

In deze studie namen de wetenschappers aan dat een kleine massa (zoals een atoom of ander object met energieniveaus) omringd is door een eenvoudig kwantumveld dat overal buiten de centrale roterende massa bestaat.

De bij het kwantumveld behorende deeltjes hebben nul spin (in de quantummechanische zin); een voorbeeld hiervan zou een elektromagnetisch veld zijn, waar de veldkrachtdragers, fotonen, nul spin hebben. Zou de hoekfrequentie van frame dragging worden weerspiegeld in de excitatiesnelheid van een atoom?

In het eenvoudigere geval van een niet-roterend zwart gat, de zogenaamde 'Schwarzschild-oplossing' van Einsteins vergelijkingen, is er geen frame dragging. Het is bekend dat een stilstaand atoom zou worden geëxciteerd door de Hawking-straling van het zwarte gat, straling die wordt uitgezonden met het frequentiespectrum van een zwarte straler die wordt vrijgegeven op de gebeurtenishorizon rond het zwarte gat. De excitatiesnelheid van het atoom bevat informatie over de sterkte van het zwaartekrachtveld bij de gebeurtenishorizon.

Echter, voor een roterend massief zwart gat, dat de zogenaamde 'Kerr-oplossing' heeft (die pas in 1963 werd gevonden), zijn er geen ware gebeurtenishorizons en singulariteiten. De Kerr-ruimtetijd vertoont wel frame dragging, maar een stilstaand atoom zou niet worden geëxciteerd.

In tegenstelling tot de Schwarzschild-oplossing is de Kerr-oplossing een exacte oplossing voor de structuur van ruimtetijd zelfs voor zeer grote massa's en sterke zwaartekracht. Dus de co-auteurs Rui-Chen Liu en C. P. Sun namen de situatie in overweging van een atoom dat met constante snelheid in een cirkel beweegt in de Kerr-ruimtetijd.

Zij 'kwantiseerden' het zero-spin veld, dat wil zeggen, zij behandelden het volgens de regels van de kwantummechanica (die verschillen van de bekende Maxwell-vergelijkingen die de elektromagnetische velden als klassiek beschouwen, zonder fotonen of deeltjes met nul spin.) Het samenbrengen van dit alles en het doorrekenen van de wiskunde, vonden de twee dat een atoom zou worden geëxciteerd.

Zij vonden verder dat de excitatiesnelheid - het aantal excitaties per seconde - hetzelfde is als dat van een atoom ondergedompeld in een thermisch bad (omgeven door energie) bij een temperatuur die evenredig is aan de versnelling van het atoom terwijl het in een cirkel beweegt. Dit lijkt op het Unruh-effect, waarbij een atoom dat onderhevig is aan een constante versnelling in een lege ruimte, zelfs in een rechte lijn, deeltjes en een thermisch bad zou zien met een uiterst lage maar niet-nul temperatuur.

Om hun analyse verder te ondersteunen, hebben Liu en Sun verschillende excitatie-energieën overwogen voor atomen die roteren met verschillende snelheden en op verschillende afstanden van het centrale massapunt. Ze ontdekten dat de excitatiesnelheden allemaal tussen 0 en een bovengrens lagen voor alle waarden van de voortstuwingsrotatiefrequentie.

Ze schrijven: 'Het effect van frame dragging genereert een duidelijke excitatiesnelheid voor atomen die een cirkelvormige beweging ondergaan.' Deze bovengrens kan worden gemeten en de rotatiesnelheid van de voortstuwingsrotatiefrequentie kan hieruit worden afgeleid, samen met de straal van de beweging.

Ze merken op dat hun benadering de niet-lokale eigenschappen van kwantumvelden gebruikt, ook bekend als verstrengeling, metingen die niet afhankelijk zijn van traditionele stellaire kalibratie, die sterren met bekende lichteigenschappen gebruikt om de kwaliteit en betrouwbaarheid van sensoren op een telescoop te bepalen.

Meer informatie: Rui-Chen Liu et al, Het Frame-Dragging-effect op de excitatiesnelheid van atomen, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2408.13016

Tijdschrif