Энергия вакуума — это базовая фоновая энергия , которая существует в пространстве по всей Вселенной . [1] Энергия вакуума — это особый случай энергии нулевой точки , которая относится к квантовому вакууму . [2]
Эффекты энергии вакуума можно экспериментально наблюдать в различных явлениях, таких как спонтанное излучение , эффект Казимира и сдвиг Лэмба , и, как полагают, они влияют на поведение Вселенной в космологических масштабах . Используя верхний предел космологической постоянной , энергия вакуума свободного пространства оценивается в 10−9 джоулей ( 10−2 эрг ) , или ~5 ГэВ на кубический метр. [3] Однако в квантовой электродинамике согласованность с принципом ковариантности Лоренца и с величиной постоянной Планка предполагает гораздо большее значение 10113 джоулей на кубический метр. Это огромное расхождение известно как проблема космологической постоянной или, в просторечии, «вакуумная катастрофа». [4]
Квантовая теория поля утверждает, что все фундаментальные поля , такие как электромагнитное поле , должны быть квантованы в каждой точке пространства. Поле в физике можно представить так, как если бы пространство было заполнено взаимосвязанными вибрирующими шариками и пружинами, а сила поля подобна смещению шарика из его положения покоя. Теория требует, чтобы «вибрации» или, точнее, изменения силы такого поля распространялись в соответствии с соответствующим волновым уравнением для конкретного рассматриваемого поля. Второе квантование квантовой теории поля требует, чтобы каждая такая комбинация шарика и пружины была квантована, то есть чтобы сила поля была квантована в каждой точке пространства. Канонически, если поле в каждой точке пространства является простым гармоническим осциллятором , его квантование помещает квантовый гармонический осциллятор в каждую точку. Возбуждения поля соответствуют элементарным частицам физики частиц . Таким образом, согласно теории, даже вакуум имеет чрезвычайно сложную структуру и все расчеты квантовой теории поля должны проводиться применительно к этой модели вакуума.
Теория рассматривает вакуум как неявно обладающий теми же свойствами, что и частица, такими как спин или поляризация в случае света , энергия и т. д. Согласно теории, большинство этих свойств в среднем компенсируются, оставляя вакуум пустым в буквальном смысле этого слова. Однако одним важным исключением является энергия вакуума или ожидаемое значение энергии вакуума. Квантование простого гармонического осциллятора требует минимально возможной энергии или энергии нулевой точки такого осциллятора, чтобы быть
Суммирование по всем возможным осцилляторам во всех точках пространства дает бесконечное количество. Чтобы устранить эту бесконечность, можно утверждать, что физически измеримы только различия в энергии, подобно тому, как концепция потенциальной энергии трактовалась в классической механике на протяжении столетий. Этот аргумент является основой теории перенормировки . Во всех практических расчетах именно так и поступают с бесконечностью. [ необходима цитата ]
Энергию вакуума можно также рассматривать в терминах виртуальных частиц (также известных как флуктуации вакуума), которые создаются и уничтожаются 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, процесс, который 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 от тех же проблем перенормировки. [ необходима цитата ]
Дополнительный вклад в энергию вакуума вносит спонтанное нарушение симметрии в квантовой теории поля . [ необходима ссылка ]
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 в энергии вакуума в пространстве между ними. Теперь это известно как эффект Казимира и с тех пор было тщательно экспериментально проверено. [ нужна страница ] Поэтому считается, что энергия вакуума «реальна» в том же смысле, в каком реальны более привычные концептуальные объекты, такие как электроны, магнитные поля и т. д. Однако с тех пор были предложены альтернативные объяснения эффекта Казимира. [5]
Другие предсказания проверить сложнее. Флуктуации вакуума всегда создаются как пары частица-античастица. Физик Стивен Хокинг выдвинул гипотезу о том, что создание этих виртуальных частиц вблизи горизонта событий черной дыры является механизмом для возможного «испарения» черных дыр . [6] Если одна из пары втягивается в черную дыру до этого, то другая частица становится «реальной», а энергия/масса по сути излучается в космос из черной дыры. Эта потеря является кумулятивной и может привести к исчезновению черной дыры с течением времени. Требуемое время зависит от массы черной дыры (уравнения показывают, что чем меньше черная дыра, тем быстрее она испаряется), но может быть порядка 10 60 лет для больших черных дыр солнечной массы. [6]
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 оказывать гравитационное воздействие. По сути, ожидается, что ненулевая энергия вакуума будет вносить вклад в космологическую постоянную , которая влияет на расширение Вселенной .
Напряженность поля энергии вакуума — это концепция, предложенная в теоретическом исследовании, которое изучает природу вакуума и его связь с гравитационными взаимодействиями. Исследование вывело математическую структуру, которая использует напряженность поля энергии вакуума как индикатор сопротивления объема (пространства-времени) локализованной кривизне. Она иллюстрирует связь напряженности поля энергии вакуума с кривизной фона, где эта концепция бросает вызов традиционному пониманию гравитации и предполагает, что гравитационная постоянная G может быть не универсальной константой, а скорее параметром, зависящим от напряженности поля энергии вакуума. [7]
Определение значения G стало темой обширных исследований, с многочисленными экспериментами, проведенными на протяжении многих лет в попытке измерить его точное значение. Эти эксперименты, часто использующие высокоточные методы, были направлены на обеспечение точных измерений G и установление консенсуса относительно его точного значения. Однако результаты этих экспериментов показали значительные несоответствия, что затрудняет достижение окончательного вывода относительно значения G. Это отсутствие консенсуса озадачило ученых и потребовало альтернативных объяснений. [8]
Для проверки теоретических предсказаний относительно напряженности поля энергии вакуума в теоретическом исследовании рекомендуются особые экспериментальные условия, включающие положение Луны. Эти условия направлены на достижение последовательных результатов в точных измерениях G. Конечная цель таких экспериментов — либо опровергнуть, либо подтвердить предложенную теоретическую структуру. Значимость исследования напряженности поля энергии вакуума заключается в ее потенциале революционизировать наше понимание гравитации и ее взаимодействий.
В 1934 году Жорж Леметр использовал необычное уравнение состояния идеальной жидкости для интерпретации космологической постоянной как обусловленной энергией вакуума. В 1948 году эффект Казимира предоставил экспериментальный метод для проверки существования энергии вакуума; однако в 1955 году Евгений Лифшиц предложил другое 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 гипотезу вселенной с нулевой энергией : Вселенная может быть крупномасштабной квантово-механической флуктуацией вакуума, где положительная масса -энергия уравновешивается отрицательной гравитационной потенциальной энергией . [9] В 1980-х годах было много попыток связать поля, которые генерируют энергию вакуума, с конкретными полями, которые были предсказаны попытками Великой объединенной теории , 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. [10]
