Unruh-Strahlung

Unruh-Strahlung ist die Vorhersage, dass ein Beobachter, der durch den leeren Raum beschleunigt, ein warmes Teilchenbad wahrnimmt, obwohl ein ruhender Beobachter in derselben Region nur Vakuum sieht. Es wurde erstmals 1976 von William Unruh abgeleitet und zeigt, dass die Vorstellung des „leeren Raums“ vom Bewegungszustand des Beobachters abhängt.

Die Unruh-Temperatur

Die Temperatur, die ein Beschleunigungsdetektor registriert, wird vollständig durch seine eigene Beschleunigung bestimmt a:

T = ħa / (2π c k_B)

Hier ist ħ die reduzierte Planck-Konstante, c die Lichtgeschwindigkeit und k_B Boltzmanns Konstante. Die Temperatur ist erstaunlich gering: Um nur ein Kelvin zu erzeugen, ist eine Beschleunigung von etwa 10 erforderlich²⁰ m/s², weshalb der Effekt nie direkt gemessen wurde. Es handelt sich jedoch um eine sichere Vorhersage der Quantenfeldtheorie in der flachen Raumzeit.

Warum Bewegung das Vakuum verändert

In der Quantenfeldtheorie ist das Vakuum der Zustand mit der niedrigsten Energie, aber wie die Energie in Teilchen aufgeteilt wird, hängt davon ab, wie ein Beobachter die Zeit definiert. Ein Trägheitsbeobachter und ein gleichmäßig beschleunigender Beobachter verwenden unterschiedliche Zeitkoordinaten und unterteilen das Feld daher in unterschiedliche Sätze von Teilchenmoden. Was der Trägheitsbeobachter „keine Teilchen“ nennt, der beschleunigende Beobachter – beschränkt auf das Rindler-Keil – beschreibt eine thermische Verteilung realer, nachweisbarer Quanten.

Verbindung zur Hawking-Strahlung

Der Unruh-Effekt ist der flache Raumzeit-Cousin von Hawking-Strahlung. In der Nähe eines Schwarzen-Loch-Horizonts muss ein schwebender Beobachter beschleunigen, um nicht hineinzufallen, und die von ihm gemessene Temperatur stimmt mit der Unruh-Formel überein a gleich der lokalen Oberflächengravitation. Die Untersuchung der Unruh-Strahlung im flachen Raum isoliert daher die Rolle des Horizonts und der Beschleunigung ohne die Komplikationen einer gekrümmten Raumzeit und macht sie zu einem Eckpfeiler der modernen Arbeit zu Horizonten, Entropie und Information.

Ein weit verbreitetes Missverständnis

Unruh-Strahlung ist keine Energie, die aus dem Nichts entsteht. Die Partikel, die der Beschleunigungsdetektor absorbiert, werden durch das Mittel bezahlt, das die Kraft liefert, die den Detektor beschleunigt. Energieeinsparung gilt; Der Effekt zeigt lediglich, dass die „Teilchenzahl“ keine absolute Größe ist, sondern vom Beobachter abhängt.