Квантовое вакуумное состояние

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 унифицированы ( 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]

"> File:Vacuum fluctuations revealed through spontaneous parametric down-conversion.ogvВоспроизвести 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 квантовых теорий поля , в которых теория возмущений нарушается при низких энергиях (например, квантовая хромодинамика или теории БКША о сверхпроводимости ) операторы поля могут иметь неисчезающий вакуумные средние называемые конденсатами . В Стандартной модели ненулевое значение математического ожидания поля Хиггса , возникающее из-за спонтанного нарушения симметрии , является механизмом, с помощью которого другие поля в теории приобретают массу.

Состояние вакуума связано с нулевой энергией , и эта нулевая энергия (эквивалентная самому низкому возможному состоянию энергии) 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, образно вычисленная, 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.

Для релятивистской теории поля вакуум является инвариантом Пуанкаре , что следует из аксиом Вайтмана, но 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 .

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 крошечную 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 изменяет эффективную проницаемость свободного пространства , становясь анизотропным со значением немного ниже μ 0 в направлении электрического поля и немного 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] Эта крошечная нелинейность может быть интерпретирована с точки зрения образования виртуальных пар [12] Требуемое электрическое поле, по прогнозам, будет огромным, примерноВ / м, известный 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.

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 « вакуумные флуктуации » 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 отношения неопределенности энергии-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 вопрос - значение слова «время» в этом отношении, потому что 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]

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 можно точно сформулировать 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 полю, могут иметь несколько физических интерпретаций, некоторые из которых более традиционны, 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 дополнительно требуют 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 и все другие наблюдаемые эффекты в КЭД, она исчезает, когда постоянная тонкой структуры α стремится к нулю». [33]

Состояние вакуума записывается как или же . Вакуумное ожидание (смотри также среднее значение ) любого поля следует записать как .

  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. ^ а б Уолтер Диттрих и Гис Х (2000). Исследование квантового вакуума: подход эффективного пертурбативного действия . Берлин: Springer. ISBN 978-3-540-67428-3.
  6. ^ Историческое обсуждение 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. ^ Беднорз, Адам (ноябрь 2013 г.). «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 Дельфенич (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 Дэвис (1982). Случайная вселенная . Издательство Кембриджского университета. С.  106 . ISBN 978-0-521-28692-3.
  19. ^ Расплывчатое описание предоставлено Джонатан Аллдей (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 в качестве бесконечного резервуара и множеству "лагерей" по поводу этой интерпретации. См., Например, Морей Б. Кинг (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. Видеть Киёси 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 Для обзора см. Пол Буш (2008). «Глава 3: Взаимосвязь 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, New York, 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. ^ Schwinger, J .; ДеРаад, LL; Милтон, KA (1978). «Эффект Казимира в диэлектриках». Летопись 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 ]

  • Бесплатная копия книги «Структурированный вакуум - ни о чем не думать » Иоганна Рафельски и Берндта Мюллера (1985). ISBN  3-87144-889-3 .
  • Пескин М.Е., Шредер Д.В. 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 "

  • Энергия в материю