理論物理學充滿了奇異而精彩的概念：蟲洞、量子泡沫和多元宇宙，僅舉幾例。問題在於，儘管這些事物很容易從理論家的方程式中湧現出來，但實際上不可能在實驗室環境中創造和測試它們。但對於這樣一種“無法檢驗”的理論，實驗裝置可能即將出現。
麻省理工學院和安大略省滑鐵盧大學的研究人員表示，他們找到了一種測試昂魯效應的方法，這是一種奇怪的現象，預計會從在空曠空間中移動的物體中產生。如果科學家能夠觀察到這種效應，這項壯舉可能會證實一些關於黑洞物理學的長期假設。他們的提案發表在 2022 年 4 月的《物理評論快報》上。
如果你能親眼觀察到昂魯效應，它可能看起來有點像在《千年隼號》中跳躍到超空間——一道突如其來的光芒沐浴著你對原本漆黑虛空的視野。當物體在真空中加速時，它會被一層溫暖的發光粒子外衣包裹起來。加速度越快，光芒就越溫暖。“這非常奇怪”，因為真空按定義應該是空的，麻省理工學院的量子物理學家維維謝克·蘇德希爾是該研究的合著者之一解釋說。“你知道，這從哪裡來的？”
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它的來源與所謂的空曠空間並非完全空曠有關，而是充滿了重疊的高能量子場。這些場中的漲落可以產生光子、電子和其他粒子，並且可以被加速體激發。本質上，一個在充滿場的真空中高速運動的物體會拾取一部分場的能量，然後將其重新發射為昂魯輻射。
該效應以理論物理學家威廉·G·昂魯的名字命名，他在 1976 年描述了他同名的現象。但另外兩位研究人員——數學家斯蒂芬·A·富林和物理學家保羅·戴維斯——在昂魯之後三年內（分別在 1973 年和 1975 年）獨立計算出了該公式。
“我清楚地記得它，”現任亞利桑那州立大學攝政教授的戴維斯說。“我是在妻子的梳妝檯上進行計算的，因為我沒有書桌或辦公室。”
一年後，戴維斯在一次會議上遇到了昂魯，昂魯在會上就他最近的突破發表演講。戴維斯驚訝地聽到昂魯描述的現象與他自己梳妝檯計算中出現的現象非常相似。“所以我們在會後在酒吧聚在一起，”戴維斯回憶道。兩人很快開始了持續數年的合作。
戴維斯、富林和昂魯都從純理論的角度進行他們的工作；他們從未期望任何人圍繞它設計一個現實世界的實驗。隨著技術的進步，曾經被歸入理論世界的思想，例如引力波和希格斯玻色子，可以達到實際觀測的範圍。事實證明，觀察昂魯效應可能有助於鞏固另一個遙遠的物理學概念。
“人們研究昂魯效應的原因不是因為他們認為加速觀察者如此重要，”密歇根州立大學物理學、天文學、分子遺傳學和微生物學教授克里斯托夫·阿達米說，他沒有參與這項研究。“他們研究這個是因為它與黑洞物理學直接相關。”
基本上，昂魯效應是一種更著名的物理現象的反面：霍金輻射，以已故物理學家斯蒂芬·霍金的名字命名，他理論上認為，當黑洞緩慢蒸發時，應該會從黑洞中發出幾乎無法察覺的光暈。
在霍金輻射的情況下，那種溫暖、模糊的效果本質上是粒子被引力拉入黑洞的結果。但對於昂魯效應，這是一個加速度的問題——根據愛因斯坦的等效原理，加速度在數學上與引力相等。
想象一下你站在電梯裡。隨著一陣震動，轎廂衝到下一層，你會在瞬間感到自己被拉向地板。從你的角度來看，“這與地球引力突然增強基本上無法區分，”蘇德希爾說。
他說，從數學角度來看，情況也是如此。“就這麼簡單：引力和加速度之間存在等效性，”蘇德希爾補充道。
儘管昂魯效應在理論上非常突出，但科學家們尚未觀察到它。（他們也沒有設法看到霍金輻射。）這是因為昂魯效應長期以來被認為在實驗上極其難以測試。在大多數情況下，研究人員需要使物體承受荒謬的加速度——超過地球引力的 25 千萬億 倍——才能產生可測量的發射。或者，可以使用更容易實現的加速度——但在這種情況下，產生可檢測效應的機率將非常低，以至於這樣的實驗需要連續執行數十億年才能產生有用的結果。然而，蘇德希爾和他的合著者認為他們已經找到了一個漏洞。
研究人員意識到，透過用磁場抓住真空中的單個電子，然後透過精心配置的光子浴加速它，他們可以“刺激”粒子，人為地將其提升到更高的能量狀態。這種增加的能量倍增了加速度的效果，這意味著，使用電子本身作為感測器，研究人員可以挑選出粒子周圍的昂魯輻射，而無需施加如此多的 g 力（或不必等待數億年）。
不幸的是，能量增強光子浴也會透過放大真空中的其他量子場效應來增加背景“噪聲”。“這正是我們不想發生的事情，”蘇德希爾說。但是，透過仔細控制電子的軌跡，實驗者應該能夠消除這種潛在的干擾——蘇德希爾將這個過程比作在粒子上披上隱形斗篷。
與大多數其他尖端粒子物理實驗所需的裝置不同，例如日內瓦附近 CERN 大型強子對撞機的巨型超導磁體和龐大的束線，研究人員表示，他們的昂魯效應模擬可以在大多數大學實驗室中搭建。“它不必是一些巨大的實驗，”論文合著者、安大略省 Perimeter 理論物理研究所的博士後研究員芭芭拉·索達說。事實上，蘇德希爾和他的博士生已經開始著手設計一個旨在實際建造的版本。
阿達米認為這項新研究是經典物理學、原子物理學和量子場論等不同學科的優雅綜合。“我認為這篇論文是正確的，”他說。但就像昂魯效應本身一樣，“在某種程度上，很明顯這種計算以前已經做過了。”
對於戴維斯來說，測試這種效應的潛力可能會為理論物理學和應用物理學開啟令人興奮的新大門，進一步驗證理論家預測的幾乎無法觀測到的現象，同時擴充套件實驗學家可以用來探究自然的工具包。“物理學之所以成為如此成功的學科，在於實驗和理論緊密結合，”他說。“兩者步調一致。”測試昂魯效應有望成為兩者的一項巔峰成就。