Квантовая флуктуация

3D визуализация квантовых флуктуаций вакуума КХД ^[1]

В квантовой физике , А квантовая флуктуация (или состояние вакуума колебания или вакуум флуктуация ) является временнымы случайного изменения количества энергии в точке в пространстве , ^[2] , как это предписано Вернер Гейзенберг «с принципом неопределенности . Это крошечные случайные колебания значений полей, которые представляют элементарные частицы, такие как электрические и магнитные поля, которые представляют собой электромагнитную силу, переносимую фотонами , поля W и Z, которые несут слабую силу , иглюонные поля, несущие сильную силу . ^[3] Флуктуации вакуума проявляются как виртуальные частицы , которые всегда создаются парами частица-античастица. ^[4] Поскольку они создаются спонтанно без источника энергии, флуктуации вакуума и виртуальные частицы нарушают закон сохранения энергии . Это теоретически допустимо, потому что частицы аннигилируют друг друга в течение периода времени, определенного принципом неопределенности, поэтому они не наблюдаются напрямую. ^{[4] [3]} Принцип неопределенности утверждает, что неопределенность в энергии и времени может быть связана следующим образом:^[5] , где${\ displaystyle \ Delta E \, \ Delta t \ geq {\ tfrac {1} {2}} \ hbar ~}$1/2ħ ≈5,27286 × 10 ⁻³⁵  Дж. Это означает, что пары виртуальных частиц с энергиейи временем жизни меньше, чемпостоянно создаются и аннигилируют в пустом пространстве. Хотя частицы не поддаются прямому обнаружению, совокупное воздействие этих частиц можно измерить. Например, без квантовых флуктуаций«голая» массаи заряд элементарных частиц бесконечны; изперенормировкитеории экранирующего эффект облака виртуальных частиц отвечают за конечную массу и заряд элементарных частиц. Другое следствие -эффект Казимира. Одним из первых наблюдений, свидетельствующих о флуктуациях вакуума, быллэмбовский сдвиг${\ displaystyle \ Delta E}$${\ displaystyle \ Delta t}$в водороде. В июле 2020 года ученые сообщают, что они впервые измерили, что флуктуации квантового вакуума могут влиять на движение макроскопических объектов человеческого масштаба, измеряя корреляции ниже стандартного квантового предела между неопределенностью положения / импульса зеркал LIGO и Неопределенность числа фотонов / фазы света, который они отражают. ^{[6] [7] [8]}

Колебания поля [ править ]

В квантовой теории поля поля испытывают квантовые флуктуации. Разумно четкое различие может быть сделано между квантовыми флуктуациями и тепловыми колебаниями одного квантового полем ( по крайней мере , для свободного поля, для взаимодействующих полей, перенормировка существенно усложняет дело). Иллюстрацию этого различия можно увидеть, рассматривая квантовые и классические поля Клейна-Гордона: ^[9] Для квантованного поля Клейна-Гордона в вакуумном состоянии мы можем вычислить плотность вероятности того, что мы наблюдали бы конфигурацию в момент времени t в условия его преобразования Фурье быть${\ Displaystyle {\ Displaystyle \ varphi _ {т} (х)}}$ ${\ Displaystyle {\ Displaystyle {\ тильда {\ varphi}} _ {т} (к)}}$

${\ displaystyle \ rho _ {0} [\ varphi _ {t}] = \ exp {\ left [- {\ frac {1} {\ hbar}} \ int {\ frac {d ^ {3} k} { (2 \ pi) ^ {3}}} {\ tilde {\ varphi}} _ {t} ^ {*} (k) {\ sqrt {| k | ^ {2} + m ^ {2}}} \ ; {\ tilde {\ varphi}} _ {t} (k) \ right]} ~.}$

Напротив, для классического поля Клейна – Гордона при ненулевой температуре плотность вероятности Гиббса того, что мы наблюдаем конфигурацию в определенный момент времени, равна${\ Displaystyle {\ Displaystyle \ varphi _ {т} (х)}}$${\ displaystyle t}$

${\displaystyle \rho _{E}[\varphi _{t}]=\exp {[-H[\varphi _{t}]/k_{\mathrm {B} }T]}=\exp {\left[-{\frac {1}{k_{\mathrm {B} }T}}\int {\frac {d^{3}k}{(2\pi )^{3}}}{\tilde {\varphi }}_{t}^{*}(k){\scriptstyle {\frac {1}{2}}}(|k|^{2}+m^{2})\;{\tilde {\varphi }}_{t}(k)\right]}~.}$

Эти распределения вероятностей показывают, что возможна любая возможная конфигурация поля, при этом амплитуда квантовых флуктуаций контролируется постоянной Планка , точно так же, как амплитуда тепловых флуктуаций контролируется , где k _B - постоянная Больцмана . Обратите внимание, что следующие три пункта тесно связаны:${\displaystyle \hbar }$${\displaystyle k_{\mathrm {B} }T}$

1. Постоянная Планка имеет единицы действия (джоуль-секунды) вместо единиц энергии (джоули),
2. квантовое ядро вместо (квантовое ядро ​​нелокально с точки зрения классического теплового ядра , но оно локально в том смысле, что не позволяет передавать сигналы), ^{[ необходима цитата ]}${\displaystyle {\sqrt {|k|^{2}+m^{2}\,}}\,}$${\displaystyle {\scriptstyle {\frac {1}{2}}}(|k|^{2}+m^{2})}$
3. состояние квантового вакуума является лоренц-инвариантным (хотя и не явно в вышеизложенном), тогда как классическое тепловое состояние - нет (классическая динамика лоренц-инвариантна, но плотность вероятности Гиббса не является лоренц-инвариантным начальным условием).

Мы можем построить классическое непрерывное случайное поле, которое имеет ту же плотность вероятности, что и состояние квантового вакуума, так что принципиальным отличием от квантовой теории поля является теория измерения ( измерение в квантовой теории отличается от измерения для классического непрерывного случайного поля в что классические измерения всегда взаимно совместимы - в терминах квантовой механики они всегда коммутируют). Квантовые эффекты, которые являются следствием только квантовых флуктуаций, а не тонкостей несовместимости измерений, в качестве альтернативы могут быть моделями классических непрерывных случайных полей.

См. Также [ править ]

• Эффект Казимира
• Космический микроволновый фон
• Квантовый отжиг
• Квантовая пена
• Виртуальная частица
• Виртуальная черная дыра
• Стохастическая интерпретация
• Zitterbewegung

Сноски [ править ]

Ссылки [ править ]