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 переносят 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, колебания вакуума и виртуальные частицы нарушают закон сохранения энергии . Это теоретически допустимо, потому что частицы уничтожают друг друга в течение периода времени, определяемого принципом неопределенности, поэтому они не наблюдаются напрямую. [4] [3] Принцип неопределенности утверждает, что неопределенность в энергии и времени может быть связана соотношением [5] , где 1/2ħ ≈5,27286 × 10 −35 Дж. Это означает, что пары виртуальных частиц с энергией и срок службы короче, чем постоянно создаются и уничтожаются в пустом пространстве. Хотя частицы не поддаются прямому обнаружению, совокупное воздействие этих частиц поддается измерению. Например, без квантовых флуктуаций «голая» масса и заряд элементарных частиц были бы бесконечными; из перенормировки теории экранирующего эффект облака виртуальных частиц отвечают за конечную массу и заряд элементарных частиц. Еще одно следствие - эффект Казимира . Одним из первых наблюдений, свидетельствующих о флуктуациях вакуума, был лэмбовский сдвиг 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
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 будем наблюдать конфигурациюв момент времени t в терминах его преобразования Фурье быть
Напротив, для классического поля Клейна – Гордона при ненулевой температуре плотность вероятности Гиббса, что мы наблюдаем конфигурацию вовремя является
Эти распределения вероятностей показывают, что возможны все возможные конфигурации поля, при этом амплитуда квантовых флуктуаций контролируется постоянной Планка. , так же как амплитуда тепловых флуктуаций контролируется , где k B - постоянная Больцмана . Обратите внимание, что следующие три пункта тесно связаны:
- Постоянная Планка имеет единицы действия (джоуль-секунды) вместо единиц энергии (джоули),
- квантовое ядро вместо (квантовое ядро нелокально с точки зрения классического теплового ядра , но оно локально в том смысле, что не позволяет передавать сигналы), [ необходимая цитата ]
- 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.
Смотрите также
- Эффект Казимира
- Космический микроволновый фон
- Квантовый отжиг
- Квантовая пена
- Виртуальная частица
- Виртуальная черная дыра
- Стохастическая интерпретация
- Zitterbewegung
Сноски
Рекомендации
- ^ "Дерек Лейнвебер" . www.physics.adelaide.edu.au . Проверено 13 декабря 2020 .
- ^ Пахлавани, Мохаммад Реза (2015). Избранные темы приложений квантовой механики . Совет директоров. п. 118. ISBN 9789535121268.
- ^ а б Пагельс, Хайнц Р. (2012). Космический код: квантовая физика как язык природы . Courier Corp., стр. 274–278. ISBN 9780486287324.
- ^ а б Кейн, Гордон (9 октября 2006 г.). «Неужели виртуальные частицы действительно постоянно появляются и исчезают? Или они просто математическое устройство для учета в квантовой механике?» . FAQ по наукам . Веб-сайт Scientific American, Springer Nature America . Дата обращения 5 августа 2020 .
- ^ Мандельштам Леонид ; Тамм, Игорь (1945). "Соотношение неопределенности энергии-время в нерелятивистской квантовой механике" [Отношение неопределенности между энергией и временем в нерелятивистской квантовой механике]. Изв. Акад. Наук СССР (сер. Физ. ). 9 : 122–128. Английский перевод: «Отношение неопределенности между энергией и временем в нерелятивистской квантовой механике». J. Phys. (СССР) . 9 : 249–254. 1945 г.
- ^ «Квантовые флуктуации могут покачивать объекты в человеческом масштабе» . Phys.org . Проверено 15 августа 2020 .
- ^ «LIGO обнаруживает работу квантовых корреляций в зеркалах весом в десятки килограммов» . Мир физики . 1 июля 2020 . Проверено 15 августа 2020 .
- ^ Ю, Хаокунь; McCuller, L .; Це, М .; Kijbunchoo, N .; Barsotti, L .; Мавалвала, Н. (июль 2020 г.). «Квантовые корреляции между светом и килограммовыми зеркалами LIGO» . Природа . 583 (7814): 43–47. arXiv : 2002.01519 . DOI : 10.1038 / s41586-020-2420-8 . ISSN 1476-4687 . PMID 32612226 . S2CID 211031944 .
- ^ Морган, Питер. «Классический взгляд на нелокальность в квантовой теории поля». arXiv : квант-ph / 0106141 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь )