Энергия вакуума — это основная фоновая энергия , которая существует в космосе по всей Вселенной . [1] Энергия вакуума — это особый случай энергии нулевой точки , который относится к квантовому вакууму . [2]
Почему нулевая энергия вакуума не вызывает большую космологическую постоянную ? Что отменяет это?
Эффекты энергии вакуума можно экспериментально наблюдать в различных явлениях, таких как спонтанное излучение , эффект Казимира и сдвиг Лэмба , и считается, что они влияют на поведение Вселенной в космологических масштабах . Используя верхний предел космологической постоянной , вакуумная энергия свободного пространства оценивается в 10 -9 джоулей (10 -2 эрг ), или ~ 5 ГэВ на кубический метр. [3] Однако в квантовой электродинамике соответствие принципу ковариации Лоренца и величине постоянной Планка предполагает гораздо большее значение — 10 113 джоулей на кубический метр. Это огромное несоответствие известно как проблема космологической постоянной или, в просторечии, «вакуумная катастрофа». [ нужна цитата ]
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 шара из его исходного положения. Теория требует, чтобы «вибрации» или, точнее, изменения силы такого поля распространялись согласно соответствующему волновому уравнению 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 представляет собой простой гармонический осциллятор , его квантование помещает квантовый гармонический осциллятор в каждую точку. Возбуждения поля соответствуют элементарным частицам физики элементарных частиц . Таким образом, согласно теории, даже вакуум имеет чрезвычайно сложную структуру, и все расчеты квантовой теории поля должны проводиться в отношении этой модели вакуума.
Теория считает, что вакуум неявно обладает теми же свойствами, что и частица, такими как спин или поляризация в случае света , энергия и так далее. Согласно теории, большинство этих свойств в среднем компенсируются, оставляя вакуум пустым в прямом смысле слова. Однако одним важным исключением является энергия вакуума или вакуумное математическое ожидание энергии. Квантование простого гармонического генератора требует минимально возможной энергии или энергии нулевой точки такого генератора, чтобы она была
Суммирование всех возможных осцилляторов во всех точках пространства дает бесконечную величину. Чтобы устранить эту бесконечность, можно утверждать, что физически измеримы только различия в энергии, подобно тому, как концепция потенциальной энергии рассматривалась в классической механике на протяжении веков. Этот аргумент лежит в основе теории перенормировки . Во всех практических расчетах именно так учитывается бесконечность. [ нужна цитата ]
Энергию вакуума также можно рассматривать как виртуальные частицы (также известные как вакуумные флуктуации), которые создаются и уничтожаются из вакуума. Эти частицы всегда рождаются из вакуума в парах частица- античастица , которые в большинстве случаев быстро аннигилируют друг друга и исчезают. Однако эти частицы и античастицы могут взаимодействовать с другими, прежде чем исчезнуть, и этот процесс 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, сталкивается с теми же проблемами перенормировки. [ нужна цитата ]
Дополнительный вклад в энергию вакуума вносит спонтанное нарушение симметрии в квантовой теории поля . [ нужна цитата ]
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 энергии вакуума в пространстве между ними. Сейчас это известно как эффект Казимира и с тех пор было тщательно проверено экспериментально. [ нужна страница ] Поэтому считается, что энергия вакуума «реальна» в том же смысле, что более знакомые концептуальные объекты, такие как электроны, магнитные поля и т. д., реальны. Однако с тех пор были предложены альтернативные объяснения эффекта Казимира. [4]
Другие прогнозы труднее проверить. Флуктуации вакуума всегда возникают в виде пар частица-античастица. Физик Стивен Хокинг предположил, что создание этих виртуальных частиц вблизи горизонта событий черной дыры является механизмом возможного «испарения» черных дыр . [5] Если одна из пары перед этим втягивается в черную дыру, то другая частица становится «реальной», и энергия/масса по существу излучается в пространство из черной дыры. Эта потеря является кумулятивной и со временем может привести к исчезновению черной дыры. Требуемое время зависит от массы черной дыры (уравнения показывают, что чем меньше черная дыра, тем быстрее она испаряется), но для больших черных дыр солнечной массы оно может составлять порядка 10–60 лет . [5]
Энергия вакуума также имеет важные последствия для физической космологии . Общая теория относительности предсказывает, что энергия эквивалентна массе, и, следовательно, если энергия вакуума «действительно существует», она должна оказывать гравитационное воздействие. По сути, ожидается, что ненулевая энергия вакуума внесет вклад в космологическую постоянную , которая влияет на расширение Вселенной .
Существование энергии вакуума также иногда используется в качестве теоретического обоснования возможности создания машин на свободной энергии. Утверждалось, что из-за нарушенной симметрии (в КЭД) свободная энергия не нарушает сохранения энергии, поскольку законы термодинамики применимы только к равновесным системам. Однако физики сходятся во мнении, что это неизвестно, поскольку природа энергии вакуума остается нерешенной проблемой.
Напряженность поля энергии вакуума — это концепция, предложенная в теоретическом исследовании, изучающем природу вакуума и его связь с гравитационными взаимодействиями. В результате исследования была разработана математическая основа, которая использует напряженность поля энергии вакуума в качестве индикатора объемного (пространственно-временного) сопротивления локализованной кривизне. Он иллюстрирует связь напряженности поля энергии вакуума с кривизной фона, причем эта концепция бросает вызов традиционному пониманию гравитации и предполагает, что гравитационная постоянная G может быть не универсальной константой, а, скорее, параметром, зависящим от гравитации. напряженность поля энергии вакуума. [6]
Определение значения G было темой обширных исследований, на протяжении многих лет проводились многочисленные эксперименты в попытках измерить его точное значение. Эти эксперименты, часто с использованием высокоточных методов, были направлены на обеспечение точных измерений G и достижение консенсуса относительно его точного значения. Однако результаты этих экспериментов показали существенные противоречия, что затрудняет достижение окончательного вывода относительно ценности G. Отсутствие консенсуса озадачило ученых и потребовало альтернативных объяснений. [7]
Чтобы проверить теоретические предсказания относительно напряженности поля вакуумной энергии, в теоретическом исследовании рекомендуются конкретные экспериментальные условия, связанные с положением Луны. Эти условия направлены на достижение последовательных результатов в прецизионных измерениях G. Конечная цель таких экспериментов — либо фальсифицировать, либо предоставить подтверждения предлагаемой теоретической модели. Значимость изучения силы поля вакуумной энергии заключается в том, что она может произвести революцию в нашем понимании гравитации и ее взаимодействий.
В 1934 году Жорж Лемэтр использовал необычное уравнение состояния идеальной жидкости, чтобы интерпретировать космологическую константу как обусловленную энергией вакуума. В 1948 году эффект Казимира предоставил экспериментальный метод проверки существования вакуумной энергии; 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 представлять собой крупномасштабную квантово-механическую флуктуацию вакуума, где положительная масса -энергия уравновешивается отрицательной гравитационной потенциальной энергией . В 1980-е годы было много попыток связать поля, генерирующие энергию вакуума, с конкретными полями, предсказанными попытками теории Великого объединения , и использовать наблюдения за Вселенной для подтверждения той или иной версии. Однако точная природа частиц (или полей), генерирующих вакуумную энергию с плотностью, требуемой теорией инфляции, остается загадкой. [ нужна цитата ]
