Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В квантовой теории поля состояние квантового вакуума (также называемое квантовым вакуумом или вакуумным состоянием ) - это квантовое состояние с минимально возможной энергией . Как правило, он не содержит физических частиц. Поле нулевой точки иногда используется как синоним состояния вакуума отдельного квантованного поля.

Согласно современным представлениям о том, что называется вакуумным состоянием или квантовым вакуумом, это «ни в коем случае не простое пустое пространство». [1] [2] Согласно квантовой механике, состояние вакуума на самом деле не пустое, а вместо этого содержит мимолетные электромагнитные волны и частицы, которые входят в квантовое поле и выходят из него. [3] [4] [5]

КЭД вакуума в квантовой электродинамики (или КЭД) был первый вакуум квантовой теории поля , которые будут разработаны. КЭД возникла в 1930-х годах, а в конце 1940-х и начале 1950-х годов она была переформулирована Фейнманом , Томонагой и Швингером , которые совместно получили Нобелевскую премию за эту работу в 1965 году. [6] Сегодня электромагнитные взаимодействия и слабые взаимодействия объединены ( только при очень высоких энергиях) в теории электрослабого взаимодействия .

Стандартная модель является обобщением работы QED , чтобы включить все известные элементарные частицы и их взаимодействие (кроме гравитации). Квантовая хромодинамика (или КХД) - это часть Стандартной модели, которая имеет дело с сильными взаимодействиями , а вакуум КХД - это вакуум квантовой хромодинамики. Он является объектом изучения Большого адронного коллайдера и Релятивистского коллайдера тяжелых ионов и связан с так называемой вакуумной структурой сильных взаимодействий . [7]

Ненулевое математическое ожидание [ править ]

Воспроизвести медиа
Видео эксперимента, демонстрирующего флуктуации вакуума (в красном кольце), усиленные спонтанным параметрическим понижающим преобразованием .

Если квантовая теория поля может быть точно описана с помощью теории возмущений , то свойства вакуума аналогичны свойств основного состояния квантового механического гармонического осциллятора , или , точнее, в состоянии о наличии проблемы измерения . В этом случае вакуумное математическое ожидание (VEV) любого полевого оператора обращается в нуль. Для квантовой теории поля , в которых теория возмущений нарушается при низких энергиях (например, КХД или теория BCS о сверхпроводимости ) полевые операторы могут иметь неисчезающийожидаемые значения вакуума, называемые конденсатами . В Стандартной модели ненулевое значение вакуумного ожидания поля Хиггса , возникающее из-за спонтанного нарушения симметрии , является механизмом, с помощью которого другие поля в теории приобретают массу.

Энергия [ править ]

Вакуумное состояние связано с нулевой энергией , и эта нулевая энергия (эквивалент наинизшего возможного энергетического состояния) имеет измеримые эффекты. В лаборатории это может быть обнаружено как эффект Казимира . В физической космологии энергия космологического вакуума выступает как космологическая постоянная . Фактически, энергия кубического сантиметра пустого пространства была вычислена образно и составляет одну триллионную эрг (или 0,6 эВ). [8] Выдающееся требование, предъявляемое к потенциальной теории всего, состоит в том, что энергия квантового состояния вакуума должна объяснять физически наблюдаемую космологическую постоянную.

Симметрия [ править ]

Для релятивистской теории поля вакуум является инвариантом Пуанкаре , что следует из аксиом Вайтмана, но также может быть доказано напрямую без этих аксиом. [9] Инвариантность Пуанкаре означает, что только скалярные комбинации полевых операторов имеют ненулевые ВЭВ . Вакуумные может нарушить некоторые из внутренних симметрий из лагранжиан теории поля. В этом случае вакуум имеет меньшую симметрию, чем допускает теория, и говорят, что произошло спонтанное нарушение симметрии . См. Механизм Хиггса , стандартная модель .

Нелинейная диэлектрическая проницаемость [ править ]

Квантовые поправки к уравнениям Максвелла , как ожидается, приведет к крошечному нелинейному члену электрической поляризации в вакууме, в результате чего в поле зависящего от электрической диэлектрической проницаемости х отклонений от номинального значения & epsi ; 0 из вакуумной диэлектрической проницаемости . [10] Эти теоретические разработки описаны, например, в Dittrich and Gies. [5] Теория квантовой электродинамики предсказывает, что вакуум КЭД должен демонстрировать небольшую нелинейность, так что в присутствии очень сильного электрического поля диэлектрическая проницаемость увеличивается на незначительную величину по сравнению с ε 0.. Более того, и что было бы легче наблюдать (но все же очень сложно!), Так это то, что сильное электрическое поле будет изменять эффективную проницаемость свободного пространства , становясь анизотропным со значением немного ниже μ 0 в направлении электрического поля и слегка превышающий μ 0 в перпендикулярном направлении, тем самым проявляя двойное лучепреломление для электромагнитной волны, распространяющейся в направлении, отличном от направления электрического поля. Эффект аналогичен эффекту Керра, но без материи. [11] Эту крошечную нелинейность можно интерпретировать с точки зрения образования виртуальных пар [12]Предполагается, что необходимое электрическое поле будет огромным, около В / м, известным как предел Швингера ; была оценена эквивалентная постоянная Керра , которая примерно в 10-20 раз меньше постоянной Керра воды. Объяснения дихроизма из физики элементарных частиц, помимо квантовой электродинамики, также были предложены. [13] Экспериментально измерить такой эффект очень сложно, [14] и пока не удалось.

Виртуальные частицы [ править ]

Наличие виртуальных частиц может быть строго основано на не-коммутации из квантованных электромагнитных полей . Некоммутация означает, что, хотя средние значения полей обращаются в нуль в квантовом вакууме, их дисперсии нет. [15] Термин « флуктуации вакуума » относится к изменению напряженности поля в состоянии минимальной энергии [16] и описывается живописно как свидетельство «виртуальных частиц». [17] Иногда пытаются дать интуитивную картину виртуальных частиц или дисперсий на основе принципа неопределенности энергии-времени Гейзенберга :

(где ΔE и Δt представляют собой изменения энергии и времени соответственно; ΔE - точность измерения энергии, Δt - время, затраченное на измерение, а ħ - приведенная постоянная Планка ), утверждая, что короткое время жизни виртуальных частицы позволяют «заимствовать» большую энергию из вакуума и, таким образом, позволяют генерировать частицы на короткое время. [18] Хотя явление виртуальных частиц принято, такая интерпретация зависимости неопределенности энергии от времени не универсальна. [19] [20]Одной из проблем является использование отношения неопределенности, ограничивающего точность измерения, как будто временная неопределенность Δt определяет «бюджет» для заимствования энергии ΔE . Другой проблемой является значение термина «время» в этом отношении, поскольку энергия и время (в отличие от положения q и импульса p , например) не удовлетворяют каноническому соотношению коммутации (например, [ q , p ] = i  ħ ). [21] Были предложены различные схемы для построения наблюдаемой, которая имеет некоторую временную интерпретацию и все же удовлетворяет каноническому коммутационному соотношению с энергией. [22] [23]Очень многие подходы к принципу неопределенности энергии-времени - долгая и продолжающаяся тема. [23]

Физическая природа квантового вакуума [ править ]

Согласно Астрид Ламбрехт (2002): «Когда кто-то очищает пространство от всей материи и понижает температуру до абсолютного нуля, он создает в Gedankenexperiment [мысленный эксперимент] состояние квантового вакуума». [1] Согласно Фаулеру и Гуггенхайму (1939/1965), третий закон термодинамики может быть точно сформулирован следующим образом:

Никакой процедурой, какой бы идеализированной она ни была, невозможно свести любую сборку к абсолютному нулю за конечное число операций. [24] (См. Также. [25] [26] [27] )

Фотон-фотонное взаимодействие может происходить только через взаимодействие с вакуумным состоянием некоторого другого поля, например, через электрон-позитронное вакуумное поле Дирака; это связано с концепцией поляризации вакуума . [28] Согласно Милонни (1994): «... все квантовые поля имеют нулевую энергию и вакуумные флуктуации». [29] Это означает, что существует составляющая квантового вакуума соответственно для каждой составляющей поля (рассматриваемой при концептуальном отсутствии других полей), такой как электромагнитное поле, электрон-позитронное поле Дирака и так далее. Согласно Милонни (1994), некоторые эффекты, приписываемые вакуумному электромагнитному полюможет иметь несколько физических интерпретаций, некоторые из которых более условны, чем другие. Притяжения Казимира между незаряженными проводящими пластинами часто предлагаются в качестве примера эффекта вакуумного электромагнитного поля. Швингер, ДеРаад и Милтон (1978) цитируются Милонни (1994) как обоснованные, хотя и нетрадиционные, объясняющие эффект Казимира с помощью модели, в которой «вакуум рассматривается как истинное состояние со всеми физическими свойствами, равными нулю». [30] [31] В этой модели наблюдаемые явления объясняются как эффекты движения электронов на электромагнитное поле, называемые эффектом поля источника. Милонни пишет:

Основная идея здесь будет заключаться в том, что сила Казимира может быть получена только из полей источника даже в полностью традиционной КЭД ... Милонни приводит подробный аргумент, что измеримые физические эффекты, обычно приписываемые вакуумному электромагнитному полю, не могут быть объяснены одним этим полем , но требуют, кроме того, вклада собственной энергии электронов или их радиационной реакции. Он пишет: «Реакция излучения и вакуумные поля - это два аспекта одного и того же, когда дело доходит до физической интерпретации различных процессов КЭД, включая сдвиг Лэмба , силы Ван-дер-Ваальса и эффекты Казимира». [32]

Эту точку зрения также высказал Яффе (2005): «Сила Казимира может быть вычислена без привязки к вакуумным флуктуациям, и, как все другие наблюдаемые эффекты в КЭД, она исчезает, когда постоянная тонкой структуры α стремится к нулю». [33]

Обозначения [ править ]

Состояние вакуума записывается как или . Вакуумное ожидание (смотрите также среднее значение ) любое поле должно быть записано как .

См. Также [ править ]

Ссылки и примечания [ править ]

  1. ^ a b Астрид Ламбрехт (2002). Хартмут Фиггер; Дитер Мешеде; Клаус Циммерманн (ред.). Наблюдение механической диссипации в квантовом вакууме: экспериментальная задача; в области лазерной физики на пределе. Берлин / Нью-Йорк: Спрингер. п. 197. ISBN 978-3-540-42418-5.
  2. ^ Кристофер Рэй (1991). Время, пространство и философия . Лондон / Нью-Йорк: Рутледж. Глава 10, с. 205. ISBN 978-0-415-03221-6.
  3. ^ Обновление новостей физики AIP, 1996
  4. ^ Physical Review Focus декабрь 1998 г.
  5. ^ a b Уолтер Диттрих и Гис H (2000). Исследование квантового вакуума: подход эффективного пертурбативного действия . Берлин: Springer. ISBN 978-3-540-67428-3.
  6. Для исторической дискуссии см., Например, Ари Бен-Менахем, изд. (2009). «Квантовая электродинамика (КЭД)» . Историческая энциклопедия естественных и математических наук . 1 (5-е изд.). Springer. стр. 4892 и далее . ISBN 978-3-540-68831-0.Подробнее о Нобелевской премии и Нобелевских лекциях этих авторов см. «Нобелевская премия по физике 1965 года» . Nobelprize.org . Проверено 6 февраля 2012 .
  7. ^ Жан Летесье; Иоганн Рафельский (2002). Адроны и кварк-глюонная плазма . Издательство Кембриджского университета. п. 37 сл . ISBN 978-0-521-38536-7.
  8. Шон Кэрролл, старший научный сотрудник по физике, Калифорнийский технологический институт , 22 июня 2006 г.,трансляция C-SPAN космологии на Ежегодной научной панели на Косе, часть 1
  9. ^ Беднорц, Адам (ноябрь 2013). «Релятивистская инвариантность вакуума». Европейский физический журнал C . 73 (12): 2654. arXiv : 1209.0209 . Bibcode : 2013EPJC ... 73.2654B . DOI : 10.1140 / epjc / s10052-013-2654-9 . S2CID 39308527 . 
  10. ^ Дэвид Дельфених (2006). «Нелинейная электродинамика и КЭД». arXiv : hep-th / 0610088 .
  11. ^ Муру, Г. А., Т. Таджима, и С. В. Буланов, Оптика в релятивистском режиме ; § XI Нелинейная КЭД , Обзоры современной физики, т. 78 (№ 2), 309-371 (2006) файл pdf .
  12. ^ Кляйн, Джеймс Дж. И Б.П. Нигам, Двойное лучепреломление вакуума , Physical Review vol. 135 , стр. B1279-B1280 (1964 г.).
  13. ^ Хольгер Гис; Йорг Джекель; Андреас Рингуолд (2006). «Поляризованный свет, распространяющийся в магнитном поле как зонд миллизарядных фермионов». Письма с физическим обзором . 97 (14): 140402. arXiv : hep-ph / 0607118 . Bibcode : 2006PhRvL..97n0402G . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.97.140402 . PMID 17155223 . S2CID 43654455 .  
  14. ^ Дэвис; Джозеф Харрис; Окорок; Смольянинов; Кьюман Чо (2007). «Экспериментальные задачи, связанные с поиском аксионоподобных частиц и нелинейных квантовых электродинамических эффектов с помощью чувствительных оптических методов». arXiv : 0704.0748 [ hep-th ].
  15. ^ Майрон Вин Эванс ; Станислав Келич (1994). Современная нелинейная оптика, Том 85, Часть 3 . Джон Вили и сыновья. п. 462. ISBN. 978-0-471-57548-1. Для всех состояний поля, имеющих классический аналог, квадратурные дисперсии поля также больше или равны этому коммутатору.
  16. Давид Николаевич Клышко (1988). Фотоны и нелинейная оптика . Тейлор и Фрэнсис. п. 126. ISBN 978-2-88124-669-2.
  17. ^ Милтон К. Муниц (1990). Космическое понимание: философия и наука о Вселенной . Издательство Принстонского университета. п. 132. ISBN 978-0-691-02059-4. Самопроизвольное временное появление частиц из вакуума называется «вакуумной флуктуацией».
  18. ^ Для примера см. PCW Davies (1982). Случайная вселенная . Издательство Кембриджского университета. С.  106 . ISBN 978-0-521-28692-3.
  19. ^ Более расплывчатое описание предоставлено Джонатаном Аллдеем (2002). Кварки, лептоны и большой взрыв (2-е изд.). CRC Press. стр. 224 и далее . ISBN 978-0-7503-0806-9. Взаимодействие продлится определенное время Δt . Это означает, что амплитуда полной энергии, участвующей во взаимодействии, распределена по диапазону энергий ΔE .
  20. ^ Эта идея "заимствования" привела к предложениям об использовании энергии нулевой точки вакуума как бесконечного резервуара и множеству "лагерей" по поводу этой интерпретации. См., Например, Moray B. King (2001). В поисках энергии нулевой точки: инженерные принципы для изобретений «свободной энергии» . Adventures Unlimited Press. стр. 124 и далее . ISBN 978-0-932813-94-7.
  21. ^ Величины, удовлетворяющие каноническому правилу коммутации, называются несовместимыми наблюдаемыми, что означает, что они оба могут быть измерены одновременно только с ограниченной точностью. См. Киеси Ито (1993). «§ 351 (XX.23) C: Канонические коммутационные соотношения» . Математический энциклопедический словарь (2-е изд.). MIT Press. п. 1303. ISBN. 978-0-262-59020-4.
  22. ^ Пол Буш ; Мариан Грабовски; Пекка Дж. Лахти (1995). «§III.4: Энергия и время». Оперативная квантовая физика . Springer. стр.  77 и далее . ISBN 978-3-540-59358-4.
  23. ^ a b Обзор см. в Paul Busch (2008). «Глава 3: Связь неопределенности времени и энергии». В JG Muga; Р. Сала Маято; Í.L. Egusquiza (ред.). Время в квантовой механике . Конспект лекций по физике. 734 (2-е изд.). Springer. С. 73–105. arXiv : квант-ph / 0105049 . Bibcode : 2002tqm..conf ... 69B . DOI : 10.1007 / 978-3-540-73473-4_3 . ISBN 978-3-540-73472-7. S2CID  14119708 .
  24. Перейти ↑ Fowler, R. , Guggenheim, EA (1965). Статистическая термодинамика. Версия статистической механики для студентов-физиков и химиков , перепечатанная с исправлениями, Cambridge University Press, Лондон, стр. 224.
  25. ^ Партингтон, JR (1949). Расширенный трактат по физической химии , том 1, фундаментальные принципы. Свойства газов , Longmans, Green and Co., Лондон, стр. 220.
  26. ^ Уилкс, Дж. (1971). Третий закон термодинамики, глава 6 в термодинамике , том 1, изд. W. Jost, H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Physical Chemistry. Расширенный трактат , Academic Press, Нью-Йорк, стр. 477.
  27. ^ Бэйлин, М. (1994). Обзор термодинамики , Американский институт физики, Нью-Йорк, ISBN 0-88318-797-3 , стр. 342. 
  28. ^ Jauch, JM, Рорлих, F. (1955/1980). Теория фотонов и электронов. Релятивистская квантовая теория поля заряженных частиц со спином 1/2 , второе расширенное издание, Springer-Verlag, Нью-Йорк, ISBN 0-387-07295-0 , страницы 287–288. 
  29. ^ Миллони, PW (1994). Квантовый вакуум. Введение в квантовую электродинамику , Academic Press, Inc., Бостон, ISBN 0-12-498080-5 , стр. Xv. 
  30. ^ Миллони, PW (1994). Квантовый вакуум. Введение в квантовую электродинамику , Academic Press, Inc., Бостон, ISBN 0-12-498080-5 , стр. 239. 
  31. ^ Швингер, J .; ДеРаад, LL; Милтон, KA (1978). «Эффект Казимира в диэлектриках». Анналы физики . 115 (1): 1–23. Bibcode : 1978AnPhy.115 .... 1S . DOI : 10.1016 / 0003-4916 (78) 90172-0 .
  32. ^ Миллони, PW (1994). Квантовый вакуум. Введение в квантовую электродинамику , Academic Press, Inc., Бостон, ISBN 0-12-498080-5 , стр. 418. 
  33. Перейти ↑ Jaffe, RL (2005). Эффект Казимира и квантовый вакуум, Phys. Ред. D 72 : 021301 (R), http://1–5.cua.mit.edu/8.422_s07/jaffe2005_casimir.pdf [ постоянная мертвая ссылка ]

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Бесплатная копия в формате pdf книги «Структурированный вакуум - ни о чем не думать » Иоганна Рафельского и Берндта Мюллера (1985) ISBN 3-87144-889-3 . 
  • М. Е. Пескин, Д. В. Шредер, Введение в квантовую теорию поля .
  • Х. Генз, Ничто: наука о пустом пространстве
  • Путхофф, HE; Литтл, SR; Ибисон, М. (2001). «Разработка поля нулевой точки и поляризуемого вакуума для межзвездного полета». arXiv : astro-ph / 0107316 .
  • EW Davis, VL Teofilo, B. Haisch, HE Puthoff, LJ Nickisch, A. Rueda и DC Cole (2006) " Обзор экспериментальных концепций для изучения квантового вакуумного поля "

Внешние ссылки [ править ]

  • Энергия в материю