stringtranslate.com

Состояние квантового вакуума

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

В квантовой теории поля квантовое вакуумное состояние (также называемое квантовым вакуумом или вакуумным состоянием ) — это квантовое состояние с минимально возможной энергией . Как правило, оно не содержит физических частиц. Термин «поле нулевой точки» иногда используется как синоним вакуумного состояния квантованного поля, которое является полностью индивидуальным. [ необходимо разъяснение ]

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

Вакуум QED квантовой электродинамики (или QED) был первым вакуумом квантовой теории поля , который был разработан. QED 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 взаимодействия (кроме гравитации). Квантовая хромодинамика (или QCD) является частью Стандартной модели, которая имеет дело с сильными взаимодействиями , а вакуум QCD является вакуумом 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

Видеозапись эксперимента, демонстрирующая флуктуации вакуума (в красном кольце), усиленные спонтанным параметрическим понижением частоты .

Если квантовая теория поля может быть точно описана с помощью теории возмущений , то свойства вакуума аналогичны свойствам основного состояния квантово-механического гармонического осциллятора или, точнее, основного состояния задачи измерения . В этом случае вакуумное ожидание (VEV) любого оператора поля обращается в нуль. Для квантовых теорий поля, в которых теория возмущений нарушается при низких энергиях (например, квантовая хромодинамика или теория сверхпроводимости БКШ ), операторы поля могут иметь неисчезающие вакуумные ожидания, называемые конденсатами . В Стандартной модели ненулевое вакуумное ожидание поля Хиггса , возникающее из-за спонтанного нарушения симметрии , является механизмом , посредством которого другие поля в теории приобретают массу.

Энергия

Состояние вакуума связано с нулевой энергией , и эта нулевая энергия (эквивалентная наименьшему возможному состоянию энергии) имеет измеримые эффекты. Она может быть обнаружена как эффект Казимира в лаборатории. В физической космологии энергия космологического вакуума проявляется как космологическая постоянная . Энергия кубического сантиметра пустого пространства была образно рассчитана как одна триллионная эрга (или 0,6 эВ). [8] Выдающееся требование, налагаемое на потенциальную Теорию Всего, заключается в том, что энергия квантового вакуумного состояния должна объяснять физически наблюдаемую космологическую постоянную.

Симметрия

Для релятивистской теории поля вакуум является инвариантным относительно Пуанкаре , что следует из аксиом Уайтмана , но может быть доказано и напрямую без этих аксиом. [9] Инвариантность относительно Пуанкаре подразумевает, что только скалярные комбинации операторов поля имеют неисчезающие ВС . ВС может нарушать некоторые внутренние симметрии лагранжиана 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

Ожидается, что квантовые поправки к уравнениям Максвелла приведут к крошечному нелинейному электрическому поляризационному члену 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, в работах 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 крошечную величину по отношению к ε 0 . При условии продолжающихся экспериментальных усилий [11] существует возможность того, что сильное электрическое поле изменит эффективную проницаемость свободного пространства , став анизотропным со значением немного ниже μ 0 в направлении электрического поля и немного превышающим μ 0 в перпендикулярном направлении. Квантовый вакуум, подвергнутый воздействию электрического поля, проявляет двойное лучепреломление для электромагнитной волны, распространяющейся в направлении, отличном от электрического поля. Эффект похож на эффект Керра , но без присутствия материи. [12] Эту крошечную нелинейность можно интерпретировать в терминах виртуального парного образования [13] Характерная напряженность электрического поля, для которой нелинейности становятся значительными, как прогнозируется, будет огромной, около В/м, известной как предел Швингера ; эквивалентная константа Керра была оценена как примерно в 1020 раз меньше константы Керра воды. Также были предложены объяснения дихроизма из физики элементарных частиц, за пределами квантовой электродинамики. [14] Экспериментальное измерение такого эффекта является сложной задачей, [15] и пока не увенчалось успехом.

Виртуальные частицы

Присутствие виртуальных частиц может быть строго основано на некоммутируемости квантованных электромагнитных полей . Некоммутируемость означает, что хотя средние значения полей исчезают в квантовом вакууме, их дисперсии не исчезают. [16] Термин « вакуумные флуктуации » относится к дисперсии напряженности поля в минимальном энергетическом состоянии, [17] и живописно описывается как свидетельство «виртуальных частиц». [18] Иногда пытаются предоставить интуитивную картину виртуальных частиц или дисперсий, основанную на принципе неопределенности энергии-времени Гейзенберга : (где Δ E и Δ t являются вариациями энергии и времени соответственно; Δ E — точность измерения энергии, а Δ t — время, необходимое для измерения, а ħ — приведенная постоянная Планка ), утверждая в этом духе, что короткое время жизни виртуальных частиц позволяет «заимствовать» большие энергии из вакуума и, таким образом, позволяет генерировать частицы в течение коротких промежутков времени. [19] Хотя явление виртуальных частиц принято, эта интерпретация соотношения неопределенности энергия-время не является универсальной. [20] [21] Одной из проблем является использование соотношения неопределенности, ограничивающего точность измерения, как будто временная неопределенность Δ t определяет «бюджет» для заимствования энергии Δ E . Другой проблемой является значение «времени» в этом отношении, поскольку энергия и время (в отличие от положения q и импульса p , например) не удовлетворяют каноническому коммутационному соотношению (такому как [ q , p ] = i  ħ ). [22] Были предложены различные схемы для построения наблюдаемой, которая имеет некоторую временную интерпретацию и при этом удовлетворяет каноническому коммутационному соотношению с энергией. [23] [24] Многие подходы к принципу неопределенности энергия-время являются долгой и продолжающейся темой. [24]

Физическая природа квантового вакуума

По словам Астрид Ламбрехт (2002): «Когда мы освобождаем пространство от всей материи и понижаем температуру до абсолютного нуля, мы создаем в Gedankenexperiment [мысленном эксперименте] состояние квантового вакуума». [1] По мнению Фаулера и Гуггенхайма (1939/1965), третий закон термодинамики можно точно сформулировать следующим образом:

Невозможно с помощью какой-либо процедуры, 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 через взаимодействие с вакуумным состоянием некоторого другого поля, такого как электронно-позитронное вакуумное поле Дирака; это связано с концепцией поляризации вакуума . [29] Согласно Милонни (1994): «... все квантовые поля имеют нулевые энергии и вакуумные флуктуации». [30] Это означает, что существует компонент квантового вакуума соответственно для каждого компонентного поля (рассматриваемого в концептуальном отсутствии других полей), такого как электромагнитное поле, электронно-позитронное поле Дирака и так далее. Согласно Милонни (1994), некоторые из эффектов, приписываемых вакуумному электромагнитному полю, могут иметь несколько физических интерпретаций, некоторые более общепринятые, чем другие. Притяжение Казимира между незаряженными проводящими пластинами часто предлагается в качестве примера эффекта вакуумного электромагнитного поля. Швингер, ДеРаад и Милтон (1978) цитируются Милонни (1994) как обоснованные, хотя и нетрадиционные, объяснения эффекта Казимира с помощью модели, в которой «вакуум рассматривается как истинное состояние со всеми физическими свойствами, равными нулю». [31] [32] 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 исходных полей даже в полностью обычной 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 дополнительного вклада от собственной энергии электронов или их реакции излучения. Он пишет: "Реакция излучения и вакуумные поля являются двумя аспектами одного и того же, когда дело доходит до физических интерпретаций различных процессов КЭД, включая сдвиг Лэмба , силы Ван-дер-Ваальса и эффекты Казимира". [33]

Эту точку зрения также высказал Джаффе (2005): «Сила Казимира может быть рассчитана без учета флуктуаций вакуума, и, как и все другие наблюдаемые эффекты в КЭД, она исчезает, когда постоянная тонкой структуры α стремится к нулю». [34]

Обозначения

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

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ аб Ламбрехт, Астрид (2002). Фиггер, Хартмут; Мешеде, Дитер; Циммерманн, Клаус (ред.). Наблюдение механической диссипации в квантовом вакууме: экспериментальная задача; по специальности «Лазерная физика на пределе». Берлин, Германия/Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer. п. 197. ИСБН 978-3-540-42418-5.
  2. ^ Рэй, Кристофер (1991). Время, пространство и философия. Лондон/Нью-Йорк: Routledge. Глава 10, стр. 205. ISBN 978-0-415-03221-6.
  3. ^ "AIP Physics News Update,1996". Архивировано из оригинала 29-01-2008 . Получено 29-02-2008 .
  4. ↑ Physical Review Focus, декабрь 1998 г.
  5. ^ ab Dittrich, Walter & Gies, H. (2000). Исследование квантового вакуума: подход пертурбативного эффективного действия. Берлин: Springer. ISBN 978-3-540-67428-3.
  6. ^ Для исторического обсуждения см., например, Ari Ben-Menaḥem, ed. (2009). "Quantum electrodynamics (QED)". Historical Encyclopedia of Natural and Mathematical Sciences . Vol. 1 (5th ed.). Springer. pp. 4892 ff . ISBN 978-3-540-68831-0.Подробности о Нобелевской премии и Нобелевских лекциях этих авторов см. в разделе «Нобелевская премия по физике 1965 года». Nobelprize.org . Получено 06.02.2012 .
  7. ^ Летессье, Жан; Рафельски, Иоганн (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 «Космология» на ежегодной научной конференции на острове Кос, часть 1.
  9. ^ Беднорц, Адам (ноябрь 2013 г.). «Релятивистская инвариантность вакуума». The European Physical Journal C. 73 ( 12): 2654. arXiv : 1209.0209 . Bibcode : 2013EPJC...73.2654B. doi : 10.1140/epjc/s10052-013-2654-9. S2CID  39308527.
  10. ^ Дельфенич, Дэвид (2006). «Нелинейная электродинамика и КЭД». arXiv : hep-th/0610088 .
  11. ^ Баттести, Реми и др. (ноябрь 2018 г.). «Сильные магнитные поля для фундаментальной физики». Physics Reports . 765–766: 1–39. arXiv : 1803.07547 . Bibcode :2018PhR...765....1B. doi :10.1016/j.physrep.2018.07.005. S2CID  4931745.
  12. ^ Муру, ГА; Т. Таджима и С.В. Буланов, Оптика в релятивистском режиме; § XI Нелинейная КЭД, Обзоры современной физики т. 78 (№ 2), стр. 309–371, (2006) файл pdf.
  13. ^ Клейн, Джеймс Дж. и Б. П. Нигам, Двойное лучепреломление вакуума, Physical Review, т. 135 , стр. B1279–B1280, (1964).
  14. ^ Gies, Holger; Jaeckel, Joerg; Ringwald, Andreas (2006). "Polarized Light Propagating in a Magnetic Field as a Probe of Millicharged Fermions". Physical Review Letters . 97 (14): 140402. arXiv : hep-ph/0607118 . Bibcode : 2006PhRvL..97n0402G. doi : 10.1103/PhysRevLett.97.140402. PMID  17155223. S2CID  43654455.
  15. ^ Дэвис; Харрис, Джозеф; Гаммон; Смольянинов; Кьюман Чо (2007). «Экспериментальные проблемы, связанные с поисками частиц, подобных аксионам, и нелинейных квантово-электродинамических эффектов с помощью чувствительных оптических методов». arXiv : 0704.0748 [hep-th].
  16. ^ Эванс, Майрон Вин ; Килич, Станислав (1994). Современная нелинейная оптика, том 85, часть 3. John Wiley & Sons. стр. 462. ISBN 978-0-471-57548-1. Для всех состояний поля, имеющих классический аналог, квадратурные дисперсии поля также больше или равны этому коммутатору.
  17. ^ Клышко, Давид Николаевич (1988). Фотоны и нелинейная оптика. Тейлор и Фрэнсис. стр. 126. ISBN 978-2-88124-669-2.
  18. ^ Муниц, Милтон К. (1990). Космическое понимание: философия и наука о Вселенной. Princeton University Press. стр. 132. ISBN 978-0-691-02059-4. Спонтанное временное появление частиц из вакуума называется «вакуумной флуктуацией».
  19. ^ Для примера см. PCW Davies (1982). Случайная вселенная . Cambridge University Press. стр. 106. ISBN 978-0-521-28692-3.
  20. ^ Более расплывчатое описание дано Джонатаном Оллдеем (2002). Кварки, лептоны и большой взрыв (2-е изд.). CRC Press. стр. 224 и далее . ISBN 978-0-7503-0806-9. Взаимодействие будет длиться в течение определенной продолжительности Δt . Это подразумевает, что амплитуда полной энергии, вовлеченной во взаимодействие, распределена по диапазону энергий ΔE .
  21. ^ Эта «заимствованная» идея привела к предложениям использовать энергию нулевой точки вакуума как бесконечный резервуар и различным «лагерям» по поводу этой интерпретации. См., например, Moray B. King (2001). Quest for zero point energy: engineering principles for 'free energy' inventions. Adventures Unlimited Press. стр. 124 и далее . ISBN 978-0-932813-94-7.
  22. ^ Величины, удовлетворяющие каноническому правилу коммутации, являются несовместимыми наблюдаемыми, то есть они обе могут быть измерены одновременно, только с ограниченной точностью. См. Kiyosi Itô (1993). "§ 351 (XX.23) C: Канонические коммутационные соотношения". Энциклопедический словарь математики (2-е изд.). MIT Press. стр. 1303. ISBN 978-0-262-59020-4.
  23. ^ 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.
  24. ^ ab Для обзора см. Paul Busch (2008). "Глава 3: Соотношение неопределенности времени и энергии". В JG Muga; R. Sala Mayato; Í.L. Egusquiza (ред.). Время в квантовой механике . Lecture Notes in Physics. Vol. 734 (2nd ed.). Springer. pp. 73–105. arXiv : quant-ph/0105049 . Bibcode :2002tqm..conf...69B. doi :10.1007/978-3-540-73473-4_3. ISBN 978-3-540-73472-7. S2CID  14119708.
  25. ^ Фаулер, Ральф ; Гуггенхайм, Эдвард А. (1965). Статистическая термодинамика. Версия статистической механики для студентов физики и химии , перепечатано с исправлениями, Cambridge University Press, Лондон, Англия, стр. 224.
  26. ^ Партингтон, Дж. Р. (1949). Расширенный трактат по физической химии , том 1, Основные принципы. Свойства газов , Longmans, Green and Company, Лондон, Англия, стр. 220.
  27. ^ Уилкс, Дж. (1971). Третий закон термодинамики, Глава 6 в Термодинамике , том 1, ред. В. Йоста, из H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Physical Chemistry. An Advanced Treatise , 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. ^ Jauch, JM; Rohrlich, F. (1955/1980). Теория фотонов и электронов. Релятивистская квантовая полевая теория заряженных частиц со спином один-половина , второе расширенное издание, Springer-Verlag, Нью-Йорк, ISBN 0-387-07295-0 , стр. 287–288. 
  30. ^ Milonni, PW (1994). Квантовый вакуум. Введение в квантовую электродинамику , Academic Press, Incorporated, Бостон, Массачусетс, ISBN 0-12-498080-5 , стр. xv. 
  31. ^ Milonni, PW (1994). Квантовый вакуум. Введение в квантовую электродинамику , Academic Press, Incorporated, Бостон, Массачусетс, ISBN 0-12-498080-5 , стр. 239. 
  32. ^ Швингер, Дж.; ДеРаад, Л.Л.; Милтон, КА (1978). «Эффект Казимира в диэлектриках». Annals of Physics . 115 (1): 1–23. Bibcode : 1978AnPhy.115....1S. doi : 10.1016/0003-4916(78)90172-0.
  33. ^ Milonni, PW (1994). Квантовый вакуум. Введение в квантовую электродинамику , Academic Press, Incorporated, Бостон, Массачусетс, ISBN 0-12-498080-5 , стр. 418. 
  34. ^ Джаффе, Р. Л. (2005). Эффект Казимира и квантовый вакуум, Physical Review D, 72 : 021301(R), http://1–5.cua.mit.edu/8.422_s07/jaffe2005_casimir.pdf [ постоянная мертвая ссылка ] .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки