Вакуум квантовой теории поля (также квантовый вакуум или вакуумное состояние) — это квантовое состояние в квантовой теории поля с минимально возможной энергией. Как правило, он не содержит физических частиц. «Нулевое поле» иногда используется как синоним вакуумного состояния отдельного квантованного поля.
Согласно современному пониманию того, что называется состоянием вакуума или квантовым вакуумом, это «ни в коем случае не простое пустое пространство»[1][2]. Согласно квантовой теории поля, физический вакуум на самом деле не является пустым пространством, а содержит появляющиеся, взаимодействующие и исчезающие виртуальные электромагнитные волны и частицы[3][4][5][6]. Виртуальные процессы в вакууме проявляются в ряде наблюдаемых эффектов при взаимодействии реальных элементарных частиц с вакуумом[7] как со своего рода физической «средой», в которой они движутся[8].
Первым вакуумом квантовой теории поля, теория которого была разработана в 30-е годы, а в конце 1940-х и начале 1950-х годов переформулирована Фейнманом, Томонагой и Швингером, которые совместно получили Нобелевскую премию за эту работу в 1965 году, был вакуум КЭД квантовой электродинамики[9].
В настоящее время электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие объединены (только при очень высоких энергиях) в теории электрослабого взаимодействия.
Стандартная модель является обобщением КЭД, включающим все известные элементарные частицы и их взаимодействия (кроме гравитации). Квантовая хромодинамика (или КХД) — это часть Стандартной модели, которая имеет дело с сильным взаимодействием, и вакуум КХД является вакуумом квантовой хромодинамики. Он исследуется на Большом адронном коллайдере и Релятивистском коллайдере тяжелых ионов, и его свойства связаны с так называемой вакуумной структурой сильных взаимодействий[10].
Если квантовую теорию поля можно точно описать с помощью теории возмущений, то свойства вакуума аналогичны свойствам основного состояния квантово-механического гармонического осциллятора, или, точнее, основного состояния при измерениях. В этом случае ожидаемое значение вакуума (VEV) любого оператор поля исчезает. Для квантовых теорий поля, в которых теория возмущений разрушается при низких энергиях (например, квантовая хромодинамика или теория БКШ cверхпроводимости) полевые операторы могут иметь не исчезающее ожидаемое значение вакуума, называемое конденсатом. В теории Стандартной модели ненулевое ожидаемое значение вакуума поля Хиггса, возникающее вследствие спонтанного нарушения симметрии является механизмом, с помощью которого другие поля приобретают массу.