stringtranslate.com

Квантовое вакуумное состояние

Уровни энергии электрона в атоме : основное состояние и возбужденные состояния . В квантовой теории поля основное состояние обычно называют состоянием вакуума или вакуумом.

В квантовой теории поля состояние квантового вакуума (также называемое квантовым вакуумом или вакуумным состоянием ) — это квантовое состояние с наименьшей возможной энергией . Обычно он не содержит физических частиц. Термин « поле нулевой точки» иногда используется как синоним вакуумного состояния квантованного поля, которое совершенно индивидуально. [ нужны разъяснения ]

Согласно современному пониманию того, что называется вакуумным состоянием или квантовым вакуумом, это «ни в коем случае не просто пустое пространство». [1] [2] Согласно квантовой механике, состояние вакуума на самом деле не пусто, а вместо этого содержит мимолетные электромагнитные волны и частицы , которые появляются и выходят из квантового поля. [3] [4] [5]

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

Стандартная модель — это обобщение работы КЭД, включающее все известные элементарные частицы и их взаимодействия (кроме гравитации). Квантовая хромодинамика (или КХД) — это часть Стандартной модели, которая занимается сильными взаимодействиями , а вакуум КХД — это вакуум квантовой хромодинамики. Он является объектом изучения в Большом адронном коллайдере и Релятивистском коллайдере тяжелых ионов и связан с так называемой вакуумной структурой сильных взаимодействий . [7]

Ненулевое математическое ожидание

Видео эксперимента, демонстрирующее флуктуации вакуума (в красном кольце), усиленные за счет спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты .

Если квантовую теорию поля можно точно описать с помощью теории возмущений , то свойства вакуума аналогичны свойствам основного состояния квантовомеханического гармонического осциллятора или, точнее, основного состояния задачи измерения . В этом случае вакуумное математическое ожидание (VEV) любого оператора поля обращается в нуль. Для квантовых теорий поля, в которых теория возмущений не работает при низких энергиях (например, квантовая хромодинамика или теория сверхпроводимости БКШ ) , операторы поля могут иметь неисчезающие вакуумные средние значения, называемые конденсатами . В Стандартной модели ненулевое вакуумное математическое ожидание поля Хиггса , возникающее в результате спонтанного нарушения симметрии , является механизмом, с помощью которого другие поля в теории приобретают массу.

Энергия

Вакуумное состояние связано с нулевой энергией , и эта нулевая энергия (эквивалентная состоянию с наименьшей возможной энергией) имеет измеримые эффекты. В лаборатории это можно обнаружить как эффект Казимира . В физической космологии энергия космологического вакуума выступает как космологическая постоянная . Фактически, энергия кубического сантиметра пустого пространства была образно рассчитана как одна триллионная эрг ( или 0,6 эВ). [8] Выдающееся требование, налагаемое на потенциальную Теорию Всего, состоит в том, что энергия состояния квантового вакуума должна объяснять физически наблюдаемую космологическую постоянную.

Симметрия

Для релятивистской теории поля вакуум является инвариантом Пуанкаре , что следует из аксиом Вайтмана , но также может быть доказано непосредственно без этих аксиом. [9] Инвариантность Пуанкаре подразумевает, что только скалярные комбинации операторов поля имеют ненулевые значения VEV . ВЭВ может нарушить некоторые внутренние симметрии лагранжиана теории поля . В этом случае вакуум обладает меньшей симметрией, чем допускает теория, и говорят, что произошло спонтанное нарушение симметрии . См. механизм Хиггса , стандартная модель .

Нелинейная диэлектрическая проницаемость

Ожидается, что квантовые поправки к уравнениям Максвелла приведут к появлению крошечного члена нелинейной электрической поляризации в вакууме, что приведет к отклонению зависящей от поля электрической диэлектрической проницаемости ε от номинального значения ε 0 диэлектрической проницаемости вакуума . [10] Эти теоретические разработки описаны, например, у Диттриха и Гиса. [5] Теория квантовой электродинамики предсказывает, что вакуум КЭД должен проявлять небольшую нелинейность , так что в присутствии очень сильного электрического поля диэлектрическая проницаемость увеличивается на небольшую величину по сравнению с ε 0 . В настоящее время проводятся экспериментальные исследования [11], существует возможность того, что сильное электрическое поле будет изменять эффективную проницаемость свободного пространства , становясь анизотропной со значением немного ниже 0 в направлении электрического поля и немного превышающим 0 в перпендикулярном направлении . . Таким образом, квантовый вакуум, подвергнутый воздействию электрического поля, демонстрирует двойное лучепреломление для электромагнитной волны, движущейся в направлении, отличном от направления электрического поля. Эффект аналогичен эффекту Керра , но без присутствия материи. [12] Эту крошечную нелинейность можно интерпретировать с точки зрения образования виртуальных пар. [13] Характерная напряженность электрического поля, при которой нелинейности становятся значительными, по прогнозам, будет огромной, около В/м, известной как предел Швингера ; эквивалентная константа Керра была оценена примерно в 10–20 раз меньше постоянной Керра воды. Также были предложены объяснения дихроизма из физики элементарных частиц, за пределами квантовой электродинамики. [14] Экспериментально измерить такой эффект очень сложно, [15] и пока не удалось.

Виртуальные частицы

Наличие виртуальных частиц может быть строго обосновано на некоммутации квантованных электромагнитных полей . Некоммутация означает, что хотя средние значения полей исчезают в квантовом вакууме, их дисперсии нет. [16] Термин « вакуумные флуктуации » относится к изменению напряженности поля в состоянии с минимальной энергией, [17] и образно описывается как свидетельство существования «виртуальных частиц». [18] Иногда пытаются дать интуитивное представление о виртуальных частицах или дисперсиях, основанное на принципе неопределенности энергии и времени Гейзенберга :

EtэнергиивремениEtħприведенная постоянная Планка[19][20] [21]tEqpканоническому коммутационному соотношению[ q , p ] = i  ħ[22][23] [24][24]

Физическая природа квантового вакуума

По словам Астрид Ламбрехт (2002): «Когда человек освобождает пространство от всей материи и снижает температуру до абсолютного нуля, в мысленном эксперименте [мысленном эксперименте] создается состояние квантового вакуума». [1] Согласно Фаулеру и Гуггенхайму (1939/1965), третий закон термодинамики можно точно сформулировать следующим образом:

Невозможно никакой процедурой, какой бы идеализированной она ни была, свести любую сборку к абсолютному нулю за конечное число операций. [25] (См. также [26] [27] [28] )

Фотон-фотонное взаимодействие может происходить только посредством взаимодействия с вакуумным состоянием какого-либо другого поля, например через электрон-позитронное вакуумное поле Дирака; это связано с понятием поляризации вакуума . [29] Согласно Милонни (1994): «...все квантовые поля имеют нулевую энергию и вакуумные флуктуации». [30] Это означает, что существует компонент квантового вакуума соответственно для каждого компонента поля (рассматриваемого в концептуальном отсутствии других полей), такого как электромагнитное поле, электрон-позитронное поле Дирака и так далее. По мнению Милонни (1994), некоторые эффекты, приписываемые вакуумному электромагнитному полю, могут иметь несколько физических интерпретаций, некоторые из которых более традиционные, чем другие. Притяжение Казимира между незаряженными проводящими пластинами часто предлагается как пример 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 действительно рассматривается как состояние, все физические свойства которого равны нулю». [31] [32] В этой модели наблюдаемые явления объясняются как влияние движения электронов на электромагнитное поле, называемое эффектом поля источника. Милонни пишет:

Основная идея здесь будет заключаться в том, что сила Казимира может быть получена только из исходных полей даже в совершенно традиционной КЭД ... Милонни приводит подробные аргументы в пользу того, что измеримые физические эффекты, обычно приписываемые вакуумному электромагнитному полю, не могут быть объяснены только этим полем. , но требуют, кроме того, вклада собственной энергии электронов или их реакции излучения. Он пишет: «Радиационная реакция и вакуумные поля — это два аспекта одного и того же, когда дело доходит до физической интерпретации различных процессов КЭД, включая лэмбовский сдвиг , силы Ван-дер-Ваальса и эффекты Казимира». [33]

Эту точку зрения также высказывает Яффе (2005): «Сила Казимира может быть рассчитана без привязки к флуктуациям вакуума, и, как и все другие наблюдаемые эффекты в КЭД, она исчезает, когда константа тонкой структуры α стремится к нулю». [34]

Обозначения

Состояние вакуума записывается как или . Вакуумное математическое ожидание (см. также Ожидаемое значение ) любого поля должно быть записано как .

Смотрите также

Ссылки и примечания

  1. ^ аб Астрид Ламбрехт (2002). Хартмут Фиггер; Дитер Мешеде; Клаус Циммерманн (ред.). Наблюдение механической диссипации в квантовом вакууме: экспериментальная задача; по специальности «Лазерная физика на пределе». Берлин/Нью-Йорк: Спрингер. п. 197. ИСБН 978-3-540-42418-5.
  2. ^ Кристофер Рэй (1991). Время, пространство и философия. Лондон/Нью-Йорк: Рутледж. Глава 10, с. 205. ИСБН 978-0-415-03221-6.
  3. ^ "Обновление новостей физики AIP, 1996" . Архивировано из оригинала 29 января 2008 г. Проверено 29 февраля 2008 г.
  4. ^ Physical Review Focus, декабрь 1998 г.
  5. ^ ab Уолтер Диттрих и Гис Х (2000). Исследование квантового вакуума: пертурбативный подход эффективного действия. Берлин: Шпрингер. ISBN 978-3-540-67428-3.
  6. ^ Историческую дискуссию см., например, Ари Бен-Менахем, изд. (2009). «Квантовая электродинамика (КЭД)». Историческая энциклопедия естественных и математических наук . Том. 1 (5-е изд.). Спрингер. стр. 4892 и далее . ISBN 978-3-540-68831-0.Подробности о Нобелевской премии и Нобелевских лекциях этих авторов см. в разделе «Нобелевская премия по физике 1965 года». Нобелевская премия . Проверено 6 февраля 2012 г.
  7. ^ Жан Летессье; Иоганн Рафельски (2002). Адроны и кварк-глюонная плазма. Издательство Кембриджского университета. п. 37 и далее . ISBN 978-0-521-38536-7.
  8. ↑ Шон Кэрролл, старший научный сотрудник по физике, Калифорнийский технологический институт , 22 июня 2006 г., трансляция C-SPAN по космологии на ежегодной научной панели Коса, часть 1
  9. ^ Беднорц, Адам (ноябрь 2013 г.). «Релятивистская инвариантность вакуума». Европейский физический журнал C . 73 (12): 2654. arXiv : 1209.0209 . Бибкод : 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. ^ Баттести, Реми; и другие. (ноябрь 2018 г.). «Сильные магнитные поля для фундаментальной физики». Отчеты по физике . 765–766: 1–39. arXiv : 1803.07547 . Бибкод : 2018PhR...765....1B. doi :10.1016/j.physrep.2018.07.005. S2CID  4931745.
  12. ^ Муру, Г.А., Т. Таджима и С.В. Буланов, Оптика в релятивистском режиме; § XI Нелинейная КЭД, Обзоры современной физики, том. 78 (№ 2), 309-371 (2006) файл в формате pdf.
  13. ^ Кляйн, Джеймс Дж. и Б. П. Нигам, Двулучепреломление вакуума, Physical Review vol. 135 , с. В1279-В1280 (1964 г.).
  14. ^ Хольгер Гис; Йорг Йекель; Андреас Рингвальд (2006). «Поляризованный свет, распространяющийся в магнитном поле как зонд миллизарядных фермионов». Письма о физических отзывах . 97 (14): 140402. arXiv : hep-ph/0607118 . Бибкод : 2006PhRvL..97n0402G. doi : 10.1103/PhysRevLett.97.140402. PMID  17155223. S2CID  43654455.
  15. ^ Дэвис; Джозеф Харрис; Гаммон; Смольянинов; Кюман Чо (2007). «Экспериментальные задачи, связанные с поиском аксионоподобных частиц и нелинейных квантовых электродинамических эффектов чувствительными оптическими методами». arXiv : 0704.0748 [геп-й].
  16. ^ Майрон Вин Эванс ; Станислав Келич (1994). Современная нелинейная оптика, Том 85, Часть 3. John Wiley & Sons. п. 462. ИСБН 978-0-471-57548-1. Для всех состояний поля, имеющих классический аналог, квадратурные дисперсии поля также больше или равны этому коммутатору.
  17. ^ Давид Николаевич Клышко (1988). Фотоны и нелинейная оптика. Тейлор и Фрэнсис. п. 126. ИСБН 978-2-88124-669-2.
  18. ^ Милтон К. Муниц (1990). Космическое понимание: философия и наука о Вселенной. Издательство Принстонского университета. п. 132. ИСБН 978-0-691-02059-4. Самопроизвольное временное появление частиц из вакуума называется «колебанием вакуума».
  19. ^ Пример см. PCW Davies (1982). Случайная вселенная . Издательство Кембриджского университета. стр. 106. ISBN 978-0-521-28692-3.
  20. ^ Более расплывчатое описание предоставлено Джонатаном Олдеем (2002). Кварки, лептоны и большой взрыв (2-е изд.). ЦРК Пресс. стр. 224 и далее . ISBN 978-0-7503-0806-9. Взаимодействие будет продолжаться определенное время Δt . Это означает, что амплитуда полной энергии, участвующей во взаимодействии, распределена по диапазону энергий ΔE .
  21. ^ Эта идея «заимствования» привела к предложениям использовать нулевую энергию 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 изобретений «свободной энергии». Приключения без ограничений Press. стр. 124 и далее . ISBN 978-0-932813-94-7.
  22. ^ Величины, удовлетворяющие каноническому правилу коммутации, называются несовместимыми наблюдаемыми, то есть обе они могут быть измерены одновременно только с ограниченной точностью. См. Кийоси Ито (1993). «§ 351 (XX.23) C: Канонические коммутационные соотношения». Энциклопедический математический словарь (2-е изд.). МТИ Пресс. п. 1303. ИСБН 978-0-262-59020-4.
  23. ^ Пол Буш ; Мариан Грабовски; Пекка Дж. Лахти (1995). «§III.4: Энергия и время». Операционная квантовая физика . Спрингер. стр. 77 и далее . ISBN 978-3-540-59358-4.
  24. ^ ab Обзор см. в Поле Буше (2008). «Глава 3: Связь неопределенности времени и энергии». В Дж. Г. Муга; Р. Сала Маято; И.Л. Эгускиса (ред.). Время в квантовой механике . Конспект лекций по физике. Том. 734 (2-е изд.). Спрингер. стр. 73–105. arXiv : Quant-ph/0105049 . Бибкод : 2002tqm..conf...69B. дои : 10.1007/978-3-540-73473-4_3. ISBN 978-3-540-73472-7. S2CID  14119708.
  25. ^ Фаулер, Р. , Гуггенхайм, Э.А. (1965). Статистическая термодинамика. Версия статистической механики для студентов-физиков и химии , переизданная с исправлениями, Cambridge University Press, Лондон, стр. 224.
  26. ^ Партингтон, младший (1949). Расширенный трактат по физической химии , том 1, Фундаментальные принципы. Свойства газов , Лонгманс, Грин и Ко, Лондон, стр. 220.
  27. ^ Уилкс, Дж. (1971). Третий закон термодинамики, глава 6 в термодинамике , том 1, изд. В. Йост, Г. Айринг, Д. Хендерсон, В. Йост, Физическая химия. Продвинутый трактат , Academic Press, Нью-Йорк, стр. 477.
  28. ^ Бейлин, М. (1994). Обзор термодинамики , Американский институт физики, Нью-Йорк, ISBN 0-88318-797-3 , стр. 342. 
  29. ^ Яух, Дж. М., Рорлих, Ф. (1955/1980). Теория фотонов и электронов. Релятивистская квантовая теория поля заряженных частиц с половинным спином , второе расширенное издание, Springer-Verlag, Нью-Йорк, ISBN 0-387-07295-0 , страницы 287–288. 
  30. ^ Милонни, PW (1994). Квантовый вакуум. Введение в квантовую электродинамику , Academic Press, Inc., Бостон, ISBN 0-12-498080-5 , страница xv. 
  31. ^ Милонни, PW (1994). Квантовый вакуум. Введение в квантовую электродинамику , Academic Press, Inc., Бостон, ISBN 0-12-498080-5 , стр. 239. 
  32. ^ Швингер, Дж.; ДеРаад, LL; Милтон, Калифорния (1978). «Эффект Казимира в диэлектриках». Анналы физики . 115 (1): 1–23. Бибкод : 1978AnPhy.115....1S. дои : 10.1016/0003-4916(78)90172-0.
  33. ^ Милонни, PW (1994). Квантовый вакуум. Введение в квантовую электродинамику , Academic Press, Inc., Бостон, ISBN 0-12-498080-5 , стр. 418. 
  34. ^ Яффе, Р.Л. (2005). Эффект Казимира и квантовый вакуум, Физ. Rev. D 72 : 021301(R), http://1–5.cua.mit.edu/8.422_s07/jaffe2005_casimir.pdf [ постоянная мертвая ссылка ]

дальнейшее чтение

Внешние ссылки