Vakuum af kvantefeltteori

Vakuum af kvantefeltteori  - (også kvantevakuum eller vakuumtilstand ) er en kvantetilstand i kvantefeltteorien med den lavest mulige energi. Som regel indeholder det ikke fysiske partikler. "Nul felt" bruges nogle gange som et synonym for vakuumtilstanden af ​​et enkelt kvantiseret felt.

Ifølge den moderne forståelse af det, der kaldes vakuumtilstanden eller kvantevakuumet, er det "på ingen måde et simpelt tomt rum ". [1] [2] Ifølge kvantefeltteorien er det fysiske vakuum faktisk ikke et tomt rum, men det indeholder virtuelle elektromagnetiske bølger og partikler , der opstår, interagerer og forsvinder . [3] [4] [5] [6] Virtuelle processer i vakuum manifesteres i en række observerede effekter i vekselvirkningen mellem virkelige elementarpartikler og vakuum, [7] som med en slags fysisk "medium", hvori de bevæger sig . [otte]

Det første vakuum af kvantefeltteori , hvis teori blev udviklet i 1930'erne og omformuleret i slutningen af ​​1940'erne og begyndelsen af ​​1950'erne af Feynman , Tomonaga og Schwinger , som i fællesskab modtog Nobelprisen for dette arbejde i 1965, var QED vakuumkvanteelektrodynamik . [9]

I øjeblikket kombineres den elektromagnetiske kraft og den svage kraft (kun ved meget høje energier) i teorien om den elektrosvage kraft .

Standardmodellen er en generalisering af QED, der inkluderer alle kendte elementarpartikler og deres interaktioner (undtagen tyngdekraften). Kvantekromodynamik (eller QCD) er den del af standardmodellen, der beskæftiger sig med den stærke kraft og vakuumet af QCD er kvantekromodynamikkens vakuum. Det bliver undersøgt ved Large Hadron Collider og Relativistic Heavy Ion Collider , og dets egenskaber er relateret til den såkaldte vakuumstruktur af stærke interaktioner . [ti]

Ikke-nul forventet værdi

Hvis kvantefeltteori kan beskrives nøjagtigt ved hjælp af perturbationsteori , så er vakuumets egenskaber analoge med grundtilstanden for en kvantemekanisk harmonisk oscillator , eller mere præcist jordtilstanden, når den måles . I dette tilfælde forsvinder den forventede vakuumværdi (VEV) for enhver feltoperatør . For kvantefeltteorier, hvor forstyrrelsesteorien bryder sammen ved lave energier (f.eks. kvantekromodynamik eller BCS teori om superledning ), kan feltoperatører have en ikke-forsvindende forventet vakuumværdi , kaldet et kondensat . I teorien om standardmodellen er Higgs-feltets forventede vakuum, der ikke er nul, på grund af spontan symmetribrud den mekanisme, hvorved andre felter opnår masse.

Energi

Vakuumtilstanden er forbundet med nulenergi , (svarende til tilstanden med den lavest mulige energi), hvilket viser sig i fysisk målbare effekter. En af disse effekter, Casimir-effekten , kan påvises i laboratoriet. I fysisk kosmologi er energien i det kosmologiske vakuum repræsenteret som en kosmologisk konstant . Faktisk er energien af ​​en kubikcentimeter tomt rum i overført betydning blevet beregnet som en trillion erg (eller 0,6 eV). [11] Et grundlæggende krav for enhver potentiel Theory of Everything er, at energien i kvantevakuumtilstanden skal forklare den fysisk observerbare kosmologiske konstant.

Symmetri

I relativistisk feltteori er vakuumet invariant under Poincaré-transformationer , som følger af Whitemans aksiomer , men kan også bevises direkte uden at bruge disse aksiomer. [12]

Poincaré-invariansen indebærer, at kun skalære kombinationer af feltoperatører har ikke-forsvindende WHO'er . WHO kan bryde nogle af de interne symmetrier i feltteorien Lagrangian . I dette tilfælde har vakuumet mindre symmetri, end teorien tillader, og man kan sige, at der er sket spontane symmetribrud . Se Higgs-mekanisme , standardmodel .

Ikke-lineær permittivitet

Kvantekorrektioner til Maxwells ligninger forventes at resultere i et lille, ikke-lineært elektrisk polarisationsled i vakuum, hvilket får feltets elektriske permittivitet til at afvige fra den nominelle vakuumpermittivitet . [13] Disse teoretiske udviklinger er beskrevet for eksempel i Dietrich og Gies' værker. [6]

Kvanteelektrodynamikteori forudsiger , at QED-vakuumet skulle udvise en lille ikke-linearitet , således at permittiviteten i nærvær af et meget stærkt elektrisk felt øges med en lille mængde i forhold til . Desuden, og hvad der ville være nemmere at observere (men stadig meget vanskeligt!), er, at et stærkt elektrisk felt vil ændre den effektive permeabilitet af frit rum og blive anisotropisk med en værdi lidt lavere i retning af det elektriske felt og lidt højere i den vinkelrette retning, så der udvises dobbeltbrydning for en elektromagnetisk bølge, der bevæger sig i en anden retning end det elektriske felts. Effekten ligner Kerr-effekten , men uden tilstedeværelse af stof. [fjorten]

Denne lille ikke-linearitet kan fortolkes i form af den virtuelle produktion af elektron-positron-par [15]

Det nødvendige elektriske felt forventes at være enormt, omkring V/m, kendt som Schwinger-grænsen ; Den ækvivalente Kerr-konstant blev anslået til at være omkring 1020 gange mindre end Kerr-konstanten for vand. Forklaringer på dikroisme fra partikelfysik, uden for kvanteelektrodynamikken, er også blevet foreslået. [16] Det er meget vanskeligt at måle en sådan effekt eksperimentelt, [17] og har endnu ikke været en succes.

Virtuelle partikler

Tilstedeværelsen af ​​virtuelle partikler kan være strengt baseret på egenskaben af ​​ikke- kommutativitet af kvantiserede elektromagnetiske felter . Ikke-kommutativitet betyder, at selvom middelværdierne af felterne forsvinder i kvantevakuumet, forsvinder deres afvigelser ikke. [18] Udtrykket " vakuumfluktuation " refererer til spredningen af ​​feltstyrken i tilstanden med minimal energi, [19] og beskrives visuelt ved hjælp af "virtuelle partikler". [tyve]

Nogle gange bliver der forsøgt at give et intuitivt billede af virtuelle partikler eller fluktuationer baseret på Heisenbergs usikkerhedsprincip om energi og tid:

(i dette tilfælde, og er ændringer i henholdsvis energi og tid;  er nøjagtigheden af ​​energimålingen, og  er den tid, der bruges på målingen, og  er den reducerede Planck-konstant ), og argumenterer for, at virtuelle partiklers korte levetid giver dig mulighed for at "låne" store energier fra vakuum og dermed tillade partikler at blive genereret inden for kort tid. [21] Selvom begrebet virtuelle partikler er generelt accepteret, er denne fortolkning af usikkerhedsforholdet mellem energi og tid ikke generelt accepteret. [22] [23]

Et problem er brugen af ​​en usikkerhedsrelation, der begrænser målingernes nøjagtighed, som om usikkerheden i tid dikterede et "budget" for at låne energi . Et andet problem er betydningen af ​​"tid" i denne henseende, da energi og tid (i modsætning til f.eks. koordinat q og momentum p ) ikke opfylder den kanoniske kommuteringsrelation (f.eks . ). [24]

Forskellige skemaer er blevet udviklet til at konstruere en observerbar, der har en vis tidsmæssig fortolkning og alligevel tilfredsstiller det kanoniske kommuteringsforhold med energi. [25] [26] I forbindelse med denne problemstilling diskuteres mange forskellige tilgange til princippet om energi- og tidsusikkerhed [26]

Den fysiske karakter af kvantevakuumet

Ifølge Astrid Lambrecht (2002): "Når en person frigør rum for alt stof og sænker temperaturen til det absolutte nulpunkt, skaber han i et tankeeksperiment en tilstand af kvantevakuum." [en]

Ifølge Fowler og Guggenheim (1939/1965) kan termodynamikkens tredje lov angives nøjagtigt som følger:

Ingen procedure, uanset hvor idealiseret den er, kan reducere et fysisk system til det absolutte nul i et begrænset antal operationer. [27] (Se også [28] [29] [30] .)

Foton-foton-interaktion kan kun forekomme på grund af interaktion med vakuumtilstanden af ​​et andet felt, for eksempel gennem Dirac elektron-positron-vakuumfeltet; dette er relateret til begrebet vakuumpolarisering . [31] Ifølge Milonni (1994): "... alle kvantefelter har nulpunktsenergier og vakuumfluktuationer." [32]

Det betyder, at for hver slags felt (betragtet i det begrebsmæssige fravær af andre felter) såsom det elektromagnetiske felt, Dirac elektron-positronfeltet og så videre, er der en tilsvarende form for kvantevakuum. Ifølge Milonni (1994) kan nogle af de effekter, der tilskrives det elektromagnetiske feltvakuum, have flere fysiske fortolkninger, nogle mere generelt accepterede end andre. Casimir-tiltrækningen mellem uladede ledende plader tilbydes ofte som et eksempel på virkningen af ​​et elektromagnetisk vakuumfelt. Schwinger, DeRaad og Milton (1978) citeres af Milonni (1994) som gyldige, omend ukonventionelle, forklaringer på Casimir-effekten med en model, hvor "vakuumet behandles som en virkelig tilstand med alle fysiske egenskaber lig med nul." [33] [34]

I denne model forklares de observerede fænomener som indflydelsen af ​​elektronernes bevægelse på det elektromagnetiske felt, kaldet kildefelteffekten. Milonni skriver:

Hovedideen her ville være, at Casimir-kraften kun kan afledes fra de oprindelige felter selv i helt almindelig QED,... Milonni fremfører detaljerede argumenter for, at de målbare fysiske effekter, der almindeligvis tilskrives det elektromagnetiske vakuumfelt, ikke kan forklares af dette alene felt, men derudover kræve bidraget fra elektronernes selvenergi eller deres strålingsreaktion. Han skriver: "Reaktionen af ​​stråling og

Vakuumfelter er to aspekter af den samme ting, når det kommer til fysiske fortolkninger af forskellige QED-processer, herunder Lamb shift , van der Waals-kræfter og Casimir-effekter." [35]

Dette synspunkt er også udtrykt af Jeff (2005): "Casimir-kraften kan beregnes uden at tage højde for vakuumsvingninger, og ligesom alle andre observerbare effekter i QED, forsvinder den, efterhånden som finstrukturkonstanten går til nul." [36]

Notation

Vakuumtilstanden skrives som eller . Den forventede vakuumværdi (se også Forventet måleværdi (kvantemekanik) ) for ethvert felt skal skrives som .

Se også

Links og noter

  1. ↑ 1 2 Astrid Lambrecht. Observation af mekanisk dissipation i kvantevakuum: en eksperimentel udfordring; i Laserfysik ved grænserne  / Hartmut Figger ; Dieter Meschede; Claus Zimmermann. - Berlin/New York: Springer, 2002. - S. 197. - ISBN 978-3-540-42418-5 . Arkiveret 10. juli 2021 på Wayback Machine
  2. ↑ Christopher Ray. Tid, rum og filosofi . — London/New York: Routledge, 1991. — P. Kapitel 10, s. 205. - ISBN 978-0-415-03221-6 . Arkiveret 10. juli 2021 på Wayback Machine
  3. ↑ A.P. Martynenko Vakuum i moderne kvanteteori Arkivkopi dateret 26. november 2019 på Wayback Machine // Soros Educational Journal , bind 7, nr. 5, 2001
  4. ↑ AIP Physics News Update, 1996 (downlink) . Hentet 10. juli 2021. Arkiveret fra originalen 29. januar 2008. 
  5. ↑ Fysisk gennemgang Fokus dec. 1998 . Hentet 10. juli 2021. Arkiveret fra originalen 27. september 2011.
  6. ↑ 1 2 Walter Dittrich. Probing the quantum vakuum: perturbative effective action approach  / Walter Dittrich, Gies H. - Berlin: Springer, 2000. - ISBN 978-3-540-67428-3 .
  7. ↑ Fysisk vakuum // Fysisk encyklopædisk ordbog . - M. , Great Russian Encyclopedia , 1995. - s. 61
  8. ↑ Bogolyubov N. N. , Shirkov D. V. Introduktion til teorien om kvantiserede felter. - M. , Nauka , 1957. - s. 139
  9. ↑ For en historisk diskussion, se fx Quantum electrodynamics (QED) // Historical Encyclopedia of Natural and Mathematical Sciences / Ari Ben-Mena?em. — 5. - Springer, 2009. - Vol. 1. - S. 4892ff . - ISBN 978-3-540-68831-0 . For detaljer om Nobelprisen og Nobelforelæsningerne af disse forfattere, se Nobelprisen i fysik 1965 . nobelprize.org. Dato for adgang: 6. februar 2012. Arkiveret fra originalen 7. april 2018.
  10. ↑ Jean Letessier. Hadroner og Quark-Gluon Plasma  / Jean Letessier, Johann Rafelski. - Cambridge University Press, 2002. - S. 37 ff . — ISBN 978-0-521-38536-7 . Arkiveret 10. juli 2021 på Wayback Machine
  11. ↑ Sean Carroll, Sr Research Associate - Physics, California Institute of Technology , 22. juni 2006 C-SPAN- udsendelse af Cosmology på det årlige Kos Science Panel, del 1
  12. ↑ Bednorz, Adam (november 2013). "Relativistisk invarians af vakuum". European Physical Journal C. 73 (12): 2654. arXiv : 1209.0209 . Bibcode : 2013EPJC...73.2654B . DOI : 10.1140/epjc/s10052-013-2654-9 . S2CID  39308527 .
  13. ↑ David Delphenich (2006), Ikke-lineær elektrodynamik og QED, arΧiv : hep-th/0610088 . 
  14. ↑ Mourou, GA, T. Tajima og SV Bulanov, Optik i det relativistiske regime ; § XI Ikke-lineær QED , anmeldelser af moderne fysik vol. 78 (nr. 2), 309-371 (2006) pdf-fil .
  15. ↑ Klein, James J. og BP Nigam, Birefringence of the vacuum , Physical Review vol. 135 , s. B1279-B1280 (1964).
  16. ↑ Holger Gies; Joerg Jaeckel; Andreas Ringwald (2006). "Polariseret lys, der forplanter sig i et magnetfelt som en sonde af milliladede fermioner." Fysiske anmeldelsesbreve . 97 (14): 140402. arXiv : hep-ph/0607118 . Bibcode : 2006PhRvL..97n0402G . DOI : 10.1103/PhysRevLett.97.140402 . PMID  17155223 . S2CID  43654455 . Linjeskifttegn |title=ved position #63 ( hjælp )
  17. ↑ Davis; Joseph Harris; Gammon; Smolyaninov & Kyuman Cho (2007), Eksperimentelle udfordringer involveret i søgninger efter aksionlignende partikler og ikke-lineære kvanteelektrodynamiske effekter ved følsomme optiske teknikker, arΧiv : 0704.0748 [hep-th]. 
  18. ↑ Myron Wyn Evans . Moderne ikke-lineær optik, bind 85, del 3  / Myron Wyn Evans, Stanislaw Kielich. - John Wiley & Sons, 1994. - S. 462. - "For alle felttilstande, der har et klassisk modstykke, er kvadraturfeltafvigelserne også større end eller lig med denne kommutator.." - ISBN 978-0-471-57548-1 . Arkiveret 10. juli 2021 på Wayback Machine
  19. ↑ David Nikolaevich Klyshko. Fotoner og ikke-lineær optik . - Taylor & Francis, 1988. - S. 126. - ISBN 978-2-88124-669-2 . Arkiveret 10. juli 2021 på Wayback Machine
  20. ↑ Milton K. Munitz. Kosmisk forståelse: universets filosofi og videnskab . - Princeton University Press, 1990. - S. 132. - "Den spontane, midlertidige fremkomst af partikler fra vakuum kaldes en "vakuumfluktuation". - ISBN 978-0-691-02059-4 . Arkiveret 10. juli 2021 på Wayback Machine
  21. ↑ Se for eksempel PCW Davies. [ Det tilfældige univers . - Cambridge University Press, 1982. - S.  106 . - ISBN 978-0-521-28692-3 .
  22. ↑ For en mere forenklet beskrivelse, se Jonathan Allday. Quarks, leptoner og big bang . — 2. - CRC Press, 2002. - S. 224 ff . — “Interaktionen vil vare i en vis varighed ?t . Dette indebærer, at amplituden for den samlede energi, der er involveret i interaktionen, er spredt over en række energier ?E .". — ISBN 978-0-7503-0806-9 . Arkiveret 10. juli 2021 på Wayback Machine
  23. ↑ Denne idé om at "låne" har ført til forslag om at bruge nulpunktsvakuumenergi som et uendeligt reservoir, og mange synspunkter på denne fortolkning. Se for eksempel Moray B. King. Quest for nulpunktsenergi: tekniske principper for 'fri energi' opfindelser . - Adventures Unlimited Press, 2001. - S. 124 ff . - ISBN 978-0-932813-94-7 . Arkiveret 10. juli 2021 på Wayback Machine
  24. ↑ Mængder, der opfylder den kanoniske kommuteringsregel, betragtes som inkonsistente observerbare, hvilket betyder, at de kun kan måles samtidigt med begrænset nøjagtighed. Se Kiyoshi Ito. § 351 (XX.23) C: Kanoniske kommutationsrelationer // Encyklopædisk matematikordbog. — 2. - MIT Press, 1993. - S. 1303. - ISBN 978-0-262-59020-4 .
  25. ↑ Paul Busch . §III.4: Energi og tid // Operationel kvantefysik  / Paul Busch, Marian Grabowski, Pekka J. Lahti. - Springer, 1995. -  S. 77ff . — ISBN 978-3-540-59358-4 .
  26. ↑ 1 2 Se anmeldelse af Paul Busch . Kapitel 3: Tid-energiusikkerhedsforholdet // Tid i kvantemekanik / JG Muga ; R. Sala Mayato; IL Egusquiza. — 2. - Springer, 2008. - Vol. 734.—S. 73–105. — ISBN 978-3-540-73472-7 . - doi : 10.1007/978-3-540-73473-4_3 .
  27. ↑ Fowler, R. , Guggenheim, E.A. (1965). Statistisk termodynamik. A Version of Statistical Mechanics for Students of Physics and Chemistry , genoptrykt med rettelser, Cambridge University Press, London, side 224.
  28. ↑ Partington, JR (1949). An Advanced Treatise on Physical Chemistry , bind 1, Grundlæggende principper. The Properties of Gases , Longmans, Green and Co., London, side 220.
  29. ↑ Wilks, J. (1971). The Third Law of Thermodynamics, kapitel 6 i Thermodynamics , bind 1, udg. W. Jost, af H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Fysisk kemi. An Advanced Treatise , Academic Press, New York, side 477.
  30. ↑ Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics , American Institute of Physics, New York, ISBN 0-88318-797-3 , side 342.
  31. ↑ Jauch, JM, Rohrlich, F. (1955/1980). Teorien om fotoner og elektroner. The Relativistic Quantum Field Theory of Charged Particles with Spin One-half , anden udvidet udgave, Springer-Verlag, New York, ISBN 0-387-07295-0 , side 287-288.
  32. ↑ Milonni, PW (1994). Kvantestøvsuget. An Introduction to Quantum Electrodynamics , Academic Press, Inc., Boston, ISBN 0-12-498080-5 , side xv.
  33. ↑ Milonni, PW (1994). Kvantestøvsuget. An Introduction to Quantum Electrodynamics , Academic Press, Inc., Boston, ISBN 0-12-498080-5 , side 239.
  34. ↑ Schwinger, J.; DeRaad, LL; Milton, K.A. (1978). "Casimir-effekt i dielektrikum". Fysikkens annaler . 115 (1):1-23. Bibcode : 1978AnPhy.115....1S . DOI : 10.1016/0003-4916(78)90172-0 .
  35. ↑ Milonni, PW (1994). Kvantestøvsuget. An Introduction to Quantum Electrodynamics , Academic Press, Inc., Boston, ISBN 0-12-498080-5 , side 418.
  36. ↑ Jaffe, R. L. (2005). Casimir-effekten og kvantevakuumet, Phys. Rev. D 72 : 021301(R), http://1–5.cua.mit.edu/8.422_s07/jaffe2005_casimir.pdf  (utilgængeligt link)

Yderligere læsning

Links