Квантовое вакуумное состояние - Quantum vacuum state

Эта статья о квантовом вакууме. Для использования в других целях см. Квантовый вакуум (значения).
Относительно классического понятия вакуума см. вакуум.
Квантовая теория поля
Диаграмма Фейнмана Gluon Radiation.svg
История

В квантовая теория поля, то состояние квантового вакуума (также называемый квантовый вакуум или состояние вакуума) это квантовое состояние с минимально возможным энергия. 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, вакуумное состояние не действительно пустое, а вместо этого содержит мимолетные электромагнитные волны и частицы которые появляются и исчезают.[3][4][5]

В QED вакуум из квантовая электродинамика (или QED) был первым вакуумом квантовая теория поля быть разработанным. QED возникла в 1930-х годах, а в конце 1940-х и начале 1950-х годов она была переформулирована Фейнман, Томонага и Швингер, совместно получившие Нобелевскую премию за эту работу в 1965 году.[6] Сегодня электромагнитные взаимодействия и слабые взаимодействия объединены (только при очень высоких энергиях) в теории электрослабое взаимодействие.

В Стандартная модель является обобщением работы QED, чтобы включить все известные элементарные частицы и их взаимодействия (кроме гравитации). Квантовая хромодинамика (или QCD) - это часть Стандартной модели, которая касается сильные взаимодействия, и КХД вакуум это вакуум квантовой хромодинамики. Это объект изучения в Большой адронный коллайдер и Релятивистский коллайдер тяжелых ионов, и относится к так называемой вакуумная структура сильные взаимодействия.[7]

Ненулевое математическое ожидание

Основная статья: Ожидаемое значение вакуума
На видео эксперимента показано колебания вакуума (в красном кольце) усиленный спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты.

Если квантовую теорию поля можно точно описать через теория возмущений, то свойства вакуума аналогичны свойствам основное состояние квантовой механики гармонический осциллятор, или, точнее, основное состояние из проблема измерения. В этом случае ожидаемое значение вакуума (VEV) любого полевой оператор исчезает. Для квантовых теорий поля, в которых теория возмущений не работает при низких энергиях (например, Квантовая хромодинамика или Теория BCS из сверхпроводимость ) операторы поля могут иметь отличные от нуля ожидаемые значения вакуума называется конденсаты. в Стандартная модель, ненулевое значение вакуумного ожидания Поле Хиггса, вытекающие из спонтанное нарушение симметрии, это механизм, с помощью которого другие поля в теории приобретают массу.

Энергия

Основная статья: Энергия вакуума

Во многих ситуациях состояние вакуума может быть определено как имеющее нулевую энергию, хотя реальная ситуация гораздо более тонкая. Состояние вакуума связано с энергия нулевой точки, и эта энергия нулевой точки имеет измеримые эффекты. В лаборатории это может быть обнаружено как Эффект Казимира. В физическая космология, энергия космологического вакуума выглядит как космологическая постоянная. Фактически, энергия кубического сантиметра пустого пространства, образно вычисленная, составляет одну триллионную часть эрг (или 0,6 эВ).[8] Невыполненное требование к потенциальному Теория всего состоит в том, что энергия квантового состояния вакуума должна объяснять физически наблюдаемую космологическую постоянную.

Симметрия

Для релятивистский теория поля, вакуум Инвариант Пуанкаре, что следует изАксиомы Вайтмана но можно доказать и напрямую, без этих аксиом.[9] Инвариантность Пуанкаре означает, что только скаляр комбинации операторов поля имеют отличные от нуля ВЭВ. В VEV может сломать некоторые из внутренние симметрии из Лагранжиан теории поля. В этом случае вакуум имеет меньшую симметрию, чем допускает теория, и говорят, что спонтанное нарушение симметрии произошло. Увидеть Механизм Хиггса, стандартная модель.

Нелинейная диэлектрическая проницаемость

Основная статья: Предел Швингера

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 проницаемости ε от номинального значения ε.0 из диэлектрическая проницаемость вакуума.[10] Эти теоретические разработки описаны, например, в Dittrich and Gies.[5]Теория квантовая электродинамика предсказывает, что QED вакуум должен проявлять небольшой нелинейность так что в присутствии очень сильного электрического поля диэлектрическая проницаемость увеличивается на незначительную величину по отношению к ε0. Более того, и что было бы легче наблюдать (но все еще очень сложно!), Так это то, что сильное электрическое поле может изменить эффективную проницаемость свободного пространства, становясь анизотропный со значением немного ниже μ0 по направлению электрического поля и немного превышая μ0 в перпендикулярном направлении, тем самым показывая двулучепреломление для электромагнитной волны, распространяющейся в направлении, отличном от направления электрического поля. Эффект похож на Эффект Керра но без материи.[11] Эту крошечную нелинейность можно интерпретировать с точки зрения виртуального парное производство[12] Предполагается, что необходимое электрическое поле будет огромным, примерно В / м, известный как Предел Швингера; эквивалент Постоянная Керра было оценено, составляя около 1020 раз меньше постоянной Керра воды. Пояснения к дихроизм из физики элементарных частиц, помимо квантовой электродинамики, также были предложены.[13] Экспериментально измерить такой эффект очень сложно,[14] и пока не удалось.

Виртуальные частицы

Основная статья: Виртуальная частица

Наличие виртуальных частиц может быть строго основано на некоммутация из квантованные электромагнитные поля. Некоммутация означает, что хотя средний значения полей обращаются в нуль в квантовом вакууме, их отклонения не.[15] Период, термин "колебания вакуума "относится к дисперсии напряженности поля в состоянии минимальной энергии,[16] и живописно описывается как свидетельство «виртуальных частиц».[17] Иногда пытаются дать интуитивную картину виртуальных частиц или дисперсий, основанную на теории Гейзенберга. принцип неопределенности энергии-времени:

(с участием ΔE и Δt будучи энергия и время вариации соответственно; ΔE точность измерения энергии и Δt время, затраченное на измерение, и час это Приведенная постоянная Планка ), аргументируя это тем, что короткое время жизни виртуальных частиц позволяет «заимствовать» большие энергии у вакуума и, таким образом, допускает генерацию частиц на короткое время.[18] Хотя явление виртуальных частиц принято, такая интерпретация зависимости неопределенности энергии от времени не универсальна.[19][20] Одна из проблем заключается в использовании отношения неопределенности, ограничивающего точность измерения, как если бы неопределенность во времени 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 импульс п, например) не удовлетворяют каноническое коммутационное соотношение (такие как [q, п] = ячас).[21] Были предложены различные схемы для построения наблюдаемой, которая имеет некоторую временную интерпретацию и все же удовлетворяет каноническому соотношению коммутации с энергией.[22][23] Очень многие подходы к принципу неопределенности энергии-времени - долгая и продолжающаяся тема.[23]

Физическая природа квантового вакуума

По словам Астрид Ламбрехт (2002): «Когда человек освобождает пространство от всей материи и понижает температуру до абсолютного нуля, он производит Геданкенэксперимент [мысленный эксперимент] состояние квантового вакуума ».[1] Согласно с Фаулер & Гуггенхайм (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] (Смотрите 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 поляризация вакуума.[28] Согласно с 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 вакуумное электромагнитное поле может иметь несколько физических интерпретаций, некоторые из которых более условны, чем другие. В Казимир аттракцион между незаряженными проводящими пластинами часто предлагается в качестве примера воздействия 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 из одних только 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 требуют, кроме того, 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 Баранина сдвиг, 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 как постоянная тонкой структуры, α, переходит в ноль ".[33]

Обозначения

Состояние вакуума записывается как или . В ожидаемое значение вакуума (смотрите также Ценность ожидания ) любого поля следует записать как .

Смотрите также

Ссылки и примечания

  1. ^ а б Астрид Ламбрехт (2002). Хартмут Фиггер; Дитер Мешеде; Клаус Циммерманн (ред.). Наблюдение механической диссипации в квантовом вакууме: экспериментальная задача; в Лазерная физика 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. ^ Новости физики AIP, 1996 г.
  4. ^ Physical Review Focus, декабрь 1998 г.
  5. ^ а б Вальтер Диттрих и Гис Х (2000). Исследование квантового вакуума: подход пертурбативного эффективного 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 ff. ISBN  978-3-540-68831-0. Подробнее о Нобелевской премии и Нобелевских лекциях этих авторов см. "Нобелевская премия по физике 1965 г.". Nobelprize.org. Получено 2012-02-06.
  7. ^ Жан Летесье; Иоганн Рафельский (2002). Адроны и кварк-глюонная плазма. Издательство Кембриджского университета. п. 37 ff. ISBN  978-0-521-38536-7.
  8. ^ Шон Кэрролл, старший научный сотрудник по физике, Калифорнийский технологический институт, 22 июня 2006 г. C-SPAN трансляция Космологии на Ежегодной научной панели Кос, 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. Дои: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, С. В. Буланов, Оптика в релятивистском режиме; § XI Нелинейная КЭД, Обзоры современной физики т. 78 (№ 2), 309-371 (2006) pdf файл.
  12. ^ Кляйн, Джеймс Дж. И Б. П. Нигам, Двулучепреломление вакуума, Физический обзор т. 135, п. B1279-B1280 (1964 г.).
  13. ^ Хольгер Гис; Йорг Джекель; Андреас Рингуолд (2006). «Поляризованный свет, распространяющийся в магнитном поле как зонд миллизарядных фермионов». Письма с физическими проверками. 97 (14): 140402. arXiv:hep-ph / 0607118. Bibcode:2006ПхРвЛ..97н0402Г. Дои: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, квадратура поля отклонения 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. П. К. У. Дэвис (1982). Случайная вселенная. Издательство Кембриджского университета. стр.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 ff. 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 нулевой энергии вакуума как 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 ff. ISBN  978-0-932813-94-7.
  21. ^ Величины, удовлетворяющие каноническому правилу коммутации, называются несовместимыми наблюдаемыми, что означает, что они обе могут быть измерены одновременно только с ограниченной точностью. Увидеть Киёси Ито (1993). "§ 351 (XX.23) C: Канонические коммутационные соотношения". Энциклопедический математический 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.77ff. ISBN  978-3-540-59358-4.
  23. ^ а б Для обзора см. Пол Буш (2008). «Глава 3: Связь неопределенности времени и энергии». В J.G. Муга; Р. Сала Маято; Í.L. Egusquiza (ред.). Время в квантовой механике. Конспект лекций по физике. 734 (2-е изд.). Springer. С. 73–105. arXiv:Quant-ph / 0105049. Bibcode:2002tqm..conf ... 69B. Дои:10.1007/978-3-540-73473-4_3. ISBN  978-3-540-73472-7. S2CID  14119708.
  24. ^ Фаулер, Р., Гуггенхайм, Э.А. (1965). Статистическая термодинамика. Версия статистической механики для студентов-физиков и химиков, перепечатано с исправлениями, Cambridge University Press, Лондон, стр. 224.
  25. ^ Партингтон, Дж. Р. (1949). Расширенный трактат по физической химии, том 1, Основные принципы. Свойства газов, Longmans, Green and Co., Лондон, стр. 220.
  26. ^ Уилкс, Дж. (1971). Третий закон термодинамики, глава 6 в Термодинамика, том 1, изд. W. Jost, H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Физическая химия. Продвинутый трактат, Academic Press, Нью-Йорк, стр. 477.
  27. ^ Байлын, М. (1994). Обзор термодинамики, Американский институт физики, Нью-Йорк, ISBN  0-88318-797-3, стр. 342.
  28. ^ Эмили Дж. М., Рорлих Ф. (1955/1980). Теория фотонов и электронов. Релятивистская квантовая теория поля заряженных частиц со спином половина, второе расширенное издание, Springer-Verlag, Нью-Йорк, ISBN  0-387-07295-0, страницы 287–288.
  29. ^ Милонни, П.В. (1994). Квантовый вакуум. Введение в квантовую электродинамику, Academic Press, Inc., Бостон, ISBN  0-12-498080-5, стр. xv.
  30. ^ Милонни, П.В. (1994). Квантовый вакуум. Введение в квантовую электродинамику, Academic Press, Inc., Бостон, ISBN  0-12-498080-5, стр. 239.
  31. ^ Schwinger, J .; DeRaad, L.L .; Милтон, К. (1978). «Эффект Казимира в диэлектриках». Анналы физики. 115 (1): 1–23. Bibcode:1978АнФи.115 .... 1С. Дои:10.1016/0003-4916(78)90172-0.
  32. ^ Милонни, П.В. (1994). Квантовый вакуум. Введение в квантовую электродинамику, Academic Press, Inc., Бостон, ISBN  0-12-498080-5, стр.418.
  33. ^ Джаффе, Р.Л. (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 ]

дальнейшее чтение

внешние ссылки