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根据物理学家斯蒂芬·富勒、保罗·戴维斯和 W. G.盎鲁所描述的盎鲁效应,加速观察者的真空似乎是有温度的。换句话说,如果一个观察者在一个加速参照系中,他将探测到粒子,而在一个非加速参照系中,他将探测不到粒子。

  • 图1:加拿大物理学家 W. G.盎鲁,盎鲁效应的共同发现者。

匀速运动

让我们考虑一个观察者,比如一个在宇宙飞船里的宇航员,以恒定的加速度在闵可夫斯基时空中运动。二维度规张量η的对应矩阵表示为:

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  • 式1:闵可夫斯基时空的度规张量η的矩阵表示。

对于c:

  • 式2:二维闵可夫斯基线元。

利用固有时间τ参数化观察者的运动,我们得到以下两个条件(第二个条件通过微分第一个得到):

  • 式3:根据第一个条件(上),将2维速度归一化。第二个条件(下),通过微分第一个得到,说明2维加速度和速度是正交的。

加速观察者的视界

一个加速的观察者(受恒定力的影响)以双曲线运动(稍后将会显示)。如下图所示,一个加速的观察者可以超过光线,只要他出发足够提前。因此,他有一个以视界为界的隐藏区域。这类似于黑洞,那里也有一个看不见的区域,边界作为视界。

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  • 图2:草图显示,只有出发足够提前,一个加速的观察者就可以超过光线。

如下面的时空图所示,在t < 0时离开原点x=0的光子A追上了观察者。但是,光子B在t >0处的原点就不会追上观察者了。

  • 图3:显示两个光子A和B的时空图。前者赶上观察者。后者从来没有。

由于在瞬时移动的惯性系(附在观察者身上的参照系)中,观察者处于静止状态,我们有:

  • 式4:在瞬时移动的惯性系中,观察者处于静止状态,2维速度为u=(1,0)。

请注意,从公式3:

其中a是常数。这在任何惯性系中都适用,因此我们有:

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  • 式5:恒定加速度条件,适用于任何惯性参照系。

我们的目标是证明一个加速观测者将会探测到粒子的存在,而非加速观测者则探测不到。为了证实这一点,选择一个覆盖闵可夫斯基时空的新坐标是很方便的。这些坐标称为光锥坐标。

光锥坐标

这些坐标根据原始(t,x)定义为:

  • 式6:光锥坐标的定义。

闵可夫斯基时空中相应度规张量的矩阵表示为:

  • 式7:闵可夫斯基时空光锥坐标度规张量的矩阵表示。

用式7替换式3和式5中的η,得到:

  • 式8:光锥坐标的一阶导数和二阶导数所满足的条件。

这些问题很容易解决。经过一些代数操作(包括缩放和坐标原点的移位),我们得到:

  • 式9:式8中的方程组的解,描述一个加速观测器的轨迹。

由式6可知:

  • 式10:描述加速观察者在(t,x)坐标下的轨迹方程。

现在请注意:

  • 式11:在坐标(t,x)中,加速观察者的世界线是一个双曲线。

因此,我们得出结论,在t-x坐标系中,加速观察者的世界线是双曲线:

  • 观察者最初在x→∞处移动,静止在x=1/a处,并在途中减速。
  • 然后加速回到x→∞。

注意当x→∞时,他的轨迹接近光锥。

  • 图4:在t-x坐标系中,加速观察者的世界线是双曲线。观察者最初在x→∞处减速,直到停在x=1/a处。停止后,他加速回到x→∞(注意,当x→∞时,他的轨迹接近光锥,用虚线表示)。

共动坐标系(Comoving Frames)

现在让我们为加速观察者找到一个运动坐标系。我们将寻找一个参考系:

  • 当空间分量ξ¹=0时,观测者处于静止状态
  • 时间坐标ξ⁰=τ,观察者的固有时间(沿着他自己的世界线的时间)

此外,在共动坐标系中,度规保形平坦是很方便的(当我们把量子力学包括进来时,这将变得很清楚)。根据定义,保角映射是局部保持角度而不一定保持长度的数学函数。

  • 图5:保角映射的示例。在矩形网格(左)和f映射下的图像(右)中,成对的线相交于90°。

在保形平面流形中,每一个点都有一个邻域,可以用保形变换映射到平坦空间。因此,共动坐标系中的线元素具有如下形式:

  • 式12:共动坐标系中的线元素。

Ω仍未确定。为了找到Ω(ξ⁰,ξ¹)的表达式,我们首先定义了移动参照系的光锥坐标:

  • 式13:共动参考系中的光锥坐标。为了避免在ds²上出现光锥坐标的二次微分,我们必须有以下变量依赖关系:

  • 式14:原光锥坐标与共动坐标系下的光锥坐标的关系。

只需几个简单的步骤,就可以快速地推导出式14中函数的实际形式。他们是:

  • 式14:原始光锥坐标与共动参考系光锥坐标的显式表达式。

现在我们可以使用上面推导的结果来明确地写出式 12中的线元素:

  • 式15:与Ω(ξ⁰,ξ¹)相接近的参照系中的线元素显式地表示。

这被称为伦德勒时空,与闵可夫斯基时空(没有曲率)等价。下图显示了伦德勒加速观测者的例子。

  • 图6:二维时空中的伦德勒坐标。虚线所划分的区域是伦德勒楔形,它是共动光锥坐标的有效域。世界线(实双曲线)代表具有常数ξ¹的匀加速观测者,而虚线有常数ξ⁰。图中还显示了坐标系统中没有涉及到的三个事件。来自P和Q的信号永远不会到达观察者,而来自加速观察者的消息永远不会到达R。

坐标x和t可以用ξs变量表示:

  • 式16:初始坐标x和t用ξs变量表示。

引入量子场

让我们考虑1+1时空中的无质量标量场。这个作用:

  • 式17:无质量标量场在1+1时空中的作用。

是保角不变的:

  • 式18:式17中作用的保角不变性

(g在这里是度规g的行列式)这解释了S在惯性系和加速系中的相似性:

  • 式19:保角不变性解释了惯性系和加速来速系中运动的相似性。

将式6和式13写在光锥坐标下,我们可以很容易地确定场方程并求解它们。场方程的解为左右移动模态的和:

  • 式20

方程的解和式14的这种性质意味着相反的运动模式彼此不影响,因此可以单独处理。为了避免混乱,我将从现在开始只写下右移模式。

到目前为止,没有涉及量子力学。我们现在将这个理论量子化。

在伦德勒楔形内部,坐标系重叠,我们可以按照标准规范化过程对理论进行量化,并展开量子场算子ϕ:

  • 式21:量子场理论的标准模展开。

LM为左向移动模式。算符:

  • 式22:展开方程式21中使用的创造和湮灭算符。

注意有两种真空状态,即:

  • 式23:伦德勒真空和闵可夫斯基真空

“恰当的”真空取决于正在进行的实验。例如,从加速(或伦德勒)观测者的角度来看,闵可夫斯基真空是一种含有粒子的状态。换句话说,如果量子场处于闵可夫斯基真空状态,伦德勒观测者的探测器将记录无质量粒子的存在。相反,如果量子场在伦德勒真空中就不会。

a和b算子的关系

式22中算子之间的变换称为玻戈留波夫变换(Bogoliubov transformation):

  • 式24:关于a和b算子的玻戈留波夫变换。

  • 图7:苏联数学家和物理学家Nikolay Bogolyubov

将式24代入式21,并进行一些简单的操作,就可以得到式24系数的表达式:

  • 式25:式24中a和b算子的系数。

盎鲁温度

最终得到以下结果:

  • 频率为Ω的粒子的平均密度由加速观测者测得
  • 在闵可夫斯基真空中,由加速探测器测得的无质量粒子所服从的玻色-爱因斯坦分布的温度,即所谓的盎鲁温度。

平均密度为:

  • 式26:加速观察者测量的频率为Ω的粒子的平均密度服从玻色-爱因斯坦分布。

温度等于所谓的盎鲁温度:

  • 式27:由一个加速观测者测量的粒子的温度。

  • 图8:三个统计量的基态平均占用率的比较。玻色-爱因斯坦分布是红线。

物理解释

可以这样解释盎鲁效应。量子真空的涨落与加速观测者携带的探测器相互作用。这种相互作用激励探测器,就好像它是在一个热浴中,温度由式27给出。请注意,这种波动的能量是由任何产生加速度的机制产生的。

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