| Часть серии по |
| Квантовая механика |
|---|
Энергия вакуума - это основная фоновая энергия, которая существует в космосе по всей Вселенной . [1] Его поведение кодифицировано в принципе неопределенности энергии-времени Гейзенберга . Тем не менее, точный эффект таких мимолетных порций энергии трудно определить количественно. Энергия вакуума - это частный случай энергии нулевой точки , связанный с квантовым вакуумом . [2]
Почему энергия нулевой точки вакуума не вызывает большой космологической постоянной ? Что его отменяет?
Эффекты энергии вакуума можно экспериментально наблюдать в различных явлениях, таких как спонтанное излучение , эффект Казимира и сдвиг Лэмба , и считается, что они влияют на поведение Вселенной в космологических масштабах . Используя верхний предел космологической постоянной , энергия вакуума в свободном пространстве была оценена в 10 -9 джоулей (10 -2 эрг ) на кубический метр. [3] Однако как в квантовой электродинамике (QED), так и в стохастической электродинамике (SED), соответствие принципу лоренцевой ковариантностии с величиной постоянной Планка предполагают гораздо большее значение 10 113 джоулей на кубический метр. [4] [5] Это огромное несоответствие известно как проблема космологической постоянной .
Происхождение [ править ]
Квантовая теория поля утверждает, что все фундаментальные поля , такие как электромагнитное поле , должны быть квантованы в каждой точке пространства [ цитата необходима ] . Поле в физике можно представить, как если бы пространство было заполнено взаимосвязанными вибрирующими шарами и пружинами, а сила поля подобна смещению шара из его положения покоя. Теория требует "вибраций" или, точнее, изменения напряженности такого поля для распространения согласно соответствующему волновому уравнению для конкретного рассматриваемого поля. Второе квантованиеквантовой теории поля требует, чтобы каждая такая комбинация шарик-пружина была квантована, то есть, чтобы сила поля была квантована в каждой точке пространства. Канонически, если поле в каждой точке пространства представляет собой простой гармонический осциллятор , его квантование помещает квантовый гармонический осциллятор в каждую точку. Возбуждения полей соответствуют элементарным частицам в физике элементарных частиц . Таким образом, согласно теории, даже вакуум имеет чрезвычайно сложную структуру, и все расчеты квантовой теории поля должны производиться применительно к этой модели вакуума.
Теория считает, что вакуум неявно имеет те же свойства, что и частица, такие как спин или поляризация в случае света , энергии и так далее. Согласно теории, большинство этих свойств в среднем сводятся на нет, оставляя вакуум пустым в буквальном смысле слова. Однако одним важным исключением является энергия вакуума или ожидаемое значение энергии вакуума . Квантование простого гармонического осциллятора требует минимально возможной энергии или нулевой энергии такого осциллятора, чтобы быть
Суммирование всех возможных осцилляторов во всех точках пространства дает бесконечное количество. Чтобы убрать эту бесконечность, можно утверждать, что физически измеримыми могут быть только различия в энергии, во многом так же, как концепция потенциальной энергии рассматривалась в классической механике на протяжении веков. Этот аргумент лежит в основе теории перенормировки . Во всех практических расчетах именно так обрабатывается бесконечность.
Энергию вакуума также можно рассматривать в терминах виртуальных частиц (также известных как вакуумные флуктуации), которые создаются и разрушаются из вакуума. Эти частицы всегда создаются из вакуума в парах частица- античастица , которые в большинстве случаев вскоре аннигилируют друг с другом и исчезают. Однако эти частицы и античастицы могут взаимодействовать с другими, прежде чем исчезнуть, и этот процесс можно отобразить с помощью диаграмм Фейнмана . Обратите внимание, что этот метод вычисления энергии вакуума математически эквивалентен наличию квантового гармонического осциллятора в каждой точке и, следовательно, страдает теми же проблемами перенормировки.
Дополнительные вклады в энергию вакуума вносят спонтанное нарушение симметрии в квантовой теории поля .
Последствия [ править ]
Энергия вакуума имеет ряд последствий. В 1948 году голландские физики Хендрик Б.Г. Казимир и Дирк Полдер предсказали существование крошечной силы притяжения между близко расположенными металлическими пластинами из-за резонансов энергии вакуума в пространстве между ними. Это теперь известно как эффект Казимира и с тех пор широко экспериментально подтверждено. Поэтому считается, что энергия вакуума «реальна» в том же смысле, что и более известные концептуальные объекты, такие как электроны, магнитные поля и т. Д., Реальны. Однако с тех пор были предложены альтернативные объяснения эффекта Казимира. [6]
Другие прогнозы проверить сложнее. Вакуумные флуктуации всегда создаются как пары частица-античастица. Создание этих виртуальных частиц вблизи горизонта событий в виде черной дыры была выдвинута гипотеза физик Стивен Хокинг , чтобы быть механизмом для возможного «испарения» черных дыр . [7] Если одна из пары втягивается в черную дыру до этого, тогда другая частица становится «реальной», и энергия / масса по существу излучается в космос из черной дыры. Эта потеря является кумулятивной и может со временем привести к исчезновению черной дыры. Требуемое время зависит от массы черной дыры (уравнения показывают, что чем меньше черная дыра, тем быстрее она испаряется), но может быть порядка 10 100 лет для больших черных дыр с массой Солнца. [7]
Энергия вакуума также имеет важные последствия для физической космологии . Общая теория относительности предсказывает, что энергия эквивалентна массе, и поэтому, если энергия вакуума «действительно существует», она должна создавать гравитационную силу. По сути, ожидается, что ненулевая энергия вакуума будет вносить вклад в космологическую постоянную , которая влияет на расширение Вселенной . [ необходимая цитата ] В частном случае энергии вакуума, общая теория относительности предусматривает, что гравитационное поле пропорционально ρ + 3 p (где ρ - плотность массы и энергии, иp - давление). Квантовая теория вакуума также утверждает, что давление энергии вакуума в нулевом состоянии всегда отрицательно и равно по величине ρ . Таким образом, общая сумма равна ρ + 3 p = ρ - 3 ρ = −2 ρ , отрицательное значение. Если действительно основное состояние вакуума имеет ненулевую энергию, расчет подразумевает отталкивающее гравитационное поле, вызывающее ускорение расширения Вселенной , [ цитата необходима ] . Однако энергия вакуума математически бесконечна без перенормировки., который основан на предположении, что мы можем измерить энергию только в относительном смысле, что неверно, если мы можем наблюдать ее косвенно через космологическую постоянную . [ необходима цитата ]
Существование энергии вакуума также иногда используется как теоретическое обоснование возможности машин на свободной энергии. Утверждалось, что из-за нарушенной симметрии (в КЭД) свободная энергия не нарушает закон сохранения энергии, поскольку законы термодинамики применимы только к равновесным системам. Однако физики сходятся во мнении, что это неизвестно, поскольку природа энергии вакуума остается нерешенной проблемой. [8] В частности, второй закон термодинамики не зависит от существования энергии вакуума. [ необходима цитата ] Однако в стохастической электродинамике, плотность энергии берется как классическое поле случайных шумовых волн, которое состоит из реальных электромагнитных шумовых волн, изотропно распространяющихся во всех направлениях. Казалось бы, энергия в таком волновом поле доступна, например, из ничего сложнее направленного ответвителя . [ необходима цитата ] Наиболее очевидной трудностью является спектральное распределение энергии, которое совместимость с лоренц-инвариантностью требует, чтобы он принял форму Kf 3 , где K - константа, а f обозначает частоту. [4] [9] Отсюда следует, что поток энергии и импульса в этом волновом поле становится значительным только на очень коротких длинах волн, где технология направленного ответвителя в настоящее время отсутствует. [ необходима цитата ]
История [ править ]
В 1934 году Жорж Лемэтр использовал необычное уравнение состояния идеальной жидкости, чтобы интерпретировать космологическую постоянную как результат энергии вакуума. В 1948 году эффект Казимира предоставил экспериментальный метод проверки существования энергии вакуума; Однако в 1955 году Евгений Лифшиц предложил иное происхождение эффекта Казимира. В 1957 году Ли и Янг доказали концепции нарушенной симметрии и нарушения четности , за что получили Нобелевскую премию. В 1973 году Эдвард Трайон предложил вселенную с нулевой энергией.гипотеза: Вселенная может представлять собой крупномасштабную квантово-механическую флуктуацию вакуума, где положительная масса- энергия уравновешивается отрицательной гравитационной потенциальной энергией . В течение 1980-х было много попыток связать поля, генерирующие вакуумную энергию, с конкретными полями, которые были предсказаны попытками теории Великого объединения, и использовать наблюдения Вселенной для подтверждения той или иной версии. Однако точная природа частиц (или полей), которые генерируют энергию вакуума, с плотностью, требуемой теорией инфляции, остается загадкой.
Энергия вакуума в художественной литературе [ править ]
- В романе Артура Кларка « Песни далекой Земли» описывается звездолет, приводимый в движение «квантовым двигателем», основанным на аспектах этой теории.
- В научно-фантастическом телесериале « Звездные врата Атлантида» модуль нулевой точки (ZPM) - это источник энергии, который извлекает энергию вакуума из микропараллельной вселенной . [10]
- В книге Star Trek: Deep Space Nine Technical Manual описан принцип действия так называемой квантовой торпеды . В этом вымышленном оружии реакция антивещества используется для создания многомерной мембраны в вакууме, которая выделяет при разложении больше энергии, чем было необходимо для ее производства. Недостающая энергия удаляется из вакуума. Обычно при взрыве выделяется примерно вдвое больше энергии, чем при первоначальной аннигиляции вещества антивещества. [11]
См. Также [ править ]
- Эффект Казимира
- Космологическая постоянная
- Темная энергия
- Ложный вакуум
- Принцип неопределенности Гейзенберга
- Лямбдавакуумный раствор
- Квантовая электродинамика
- Стохастическая электродинамика
- Состояние вакуума
- Виртуальные частицы
- Нулевая энергия
- Поле нулевой точки
- Вселенная с нулевой энергией
- Обычный заказ
Примечания [ править ]
Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( ноябрь 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
- ^ Баттерсби, Стивен. «Подтверждено: материя - это просто колебания вакуума» . Новый ученый . Проверено 18 июня 2020 .
- ^ Scientific American. 1997. ПОСЛЕДУЮЩИЕ ДЕЙСТВИЯ: Что такое «энергия нулевой точки» (или «энергия вакуума») в квантовой физике? Неужели мы могли бы использовать эту энергию? - Scientific American. [ONLINE] Доступно по адресу: http://www.scientificamerican.com/article/follow-up-what-is-the-zer/ . [Доступно 27 сентября 2016 г.].
- ↑ 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
- ^ a b Питер В. Милонни - «Квантовый вакуум»
- ^ де ла Пена и Четто "Квантовые кости: введение в стохастическую электродинамику"
- ^ RL Jaffe: Эффект Казимира и квантовый вакуум . В: Physical Review D . Группа 72, 2005 [1]
- ^ a b Пейдж, Дон Н. (1976). «Скорость эмиссии частиц из черной дыры: безмассовые частицы из незаряженной невращающейся дыры». Physical Review D . 13 (2): 198–206. Bibcode : 1976PhRvD..13..198P . DOI : 10.1103 / PhysRevD.13.198 .
- ^ IEEE Trans. Изд., 1996, с.7.
- ^ де ла Пена и Четто "Квантовые кости: введение в стохастическую электродинамику"
- ↑ Восход (Звездные врата Атлантиды)
- ^ Циммерман, Герман; Рик Штернбах; Дуг Дрекслер. Звездный путь: Deep Space Nine Техническое руководство .
Внешние статьи и ссылки [ править ]
- Бесплатная копия в формате pdf книги «Структурированный вакуум - ни о чем не думать » Иоганна Рафельски и Берндта Мюллера (1985) ISBN 3-87144-889-3 .
- Сондерс, С., и Браун, Х.Р. (1991). Философия вакуума . Оксфорд [Англия]: Clarendon Press.
- Семинар Пуанкаре, Дюплантье, Б., и Ривассо, В. (2003). "Семинар Пуанкаре 2002: перенормировка энергии вакуума". Прогресс математической физики , т. 30. Базель: Birkhäuser Verlag.
- Futamase & Yoshida Возможное измерение энергии вакуума
- Study of Vacuum Energy Physics for Breakthrough Propulsion 2004, Сервер технических отчетов NASA Glenn, (pdf, 57 страниц, дата обращения 18.09.2013).
