Vakuum energi

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 28. april 2022; checks kræver 7 redigeringer .

Vakuumenergi  er summen af ​​energierne af de laveste energitilstande af alle kvantiserede felter i vakuum. [1] [2] Vakuumenergi er homogen i rummet og konstant i tid. Dens tæthed er en verdenskonstant [3] [4] [5] .

Konsekvenserne af eksistensen af ​​vakuumenergi kan observeres eksperimentelt i forskellige fænomener såsom spontan emission , Casimir-effekten og Lammeskiftet . Det menes også at påvirke universets adfærd på kosmologiske skalaer .

Astronomiske data om den maksimale værdi af den kosmologiske konstant indikerer, at vakuumenergitætheden ikke overstiger 10 −28 g/(cm 3 ) eller 10 −9 joule 10 −2 erg ), eller ~5 GeV pr. kubikmeter. [6] [7]

I kvanteelektrodynamik antages der dog i overensstemmelse med Lorentz-invariansprincippet og med værdien af ​​Plancks konstant en meget større værdi på 2*10 15 g/(cm 3 ). [8] Denne enorme uoverensstemmelse er kendt som det kosmologiske konstante problem .

Oprindelse

Kvantefeltteorien siger, at alle fundamentale felter , såsom det elektromagnetiske felt , skal kvantiseres på hvert punkt i rummet. Et felt i fysik kan opfattes som om rummet var fyldt med indbyrdes forbundne vibrerende bolde og fjedre, og feltets styrke er som boldens forskydning fra sin hvileposition. [9] Teorien kræver tilstedeværelsen af ​​sådanne "fluktuationer", eller mere præcist sådanne ændringer i feltstyrken, som ville forplante sig i overensstemmelse med bølgeligningen for det pågældende felt. Den anden kvantiseringsmetode for kvantefeltteori kræver, at den matematiske beskrivelse af hver sådan kombination af kugle og fjeder kvantiseres, det vil sige, at feltstyrken kvantiseres ved hvert punkt i rummet. Felt excitationer svarer til tilstedeværelsen af ​​elementarpartikler . Selv vakuum har således ifølge teorien en ekstremt kompleks struktur, og alle beregninger af kvantefeltteori skal udføres i forhold til denne model af vakuum.

Teorien hævder, at vakuumet implicit har de samme egenskaber som partiklen, såsom spin eller polarisering i tilfælde af lys , energi og så videre. Ifølge teorien udligner de fleste af disse egenskaber i gennemsnit og efterlader vakuumet tomt i ordets bogstavelige forstand. [2] En vigtig undtagelse er dog vakuumenergi eller den forventede vakuumværdi af energi. Kvantiseringen af ​​en simpel harmonisk oscillator kræver den lavest mulige energi, eller nul energi, af en sådan oscillator, som vil være

Summation over alle mulige oscillatorer på alle punkter i rummet giver en uendelig værdi. For at eliminere denne uendelighed kan det hævdes, at kun forskelle i energi er fysisk målbare, svarende til hvordan begrebet potentiel energi er blevet betragtet i klassisk mekanik i århundreder. Dette argument er kernen i renormaliseringsteorien . I alle praktiske beregninger er det sådan, uendeligheden håndteres.

Vakuumenergi kan også tænkes i form af virtuelle partikler (også kendt som vakuumfluktuationer ), der skabes og ødelægges fra vakuum. Disse partikler skabes altid i partikel -antipartikel-par , som i de fleste tilfælde hurtigt udsletter hinanden og forsvinder. Disse partikler og antipartikler kan dog interagere med andre, før de forsvinder. Disse processer kan vises ved hjælp af Feynman-diagrammer . Bemærk, at denne metode til beregning af vakuumenergien er matematisk ækvivalent med at have en kvanteharmonisk oscillator på hvert punkt, og derfor står over for de samme renormaliseringsproblemer.

Et yderligere bidrag til vakuumenergi kommer fra spontan symmetribrud i kvantefeltteorien .

Konsekvenser

Vakuumenergi har en række observerbare konsekvenser. I 1948 forudsagde den hollandske fysiker H. Casimir og D. Polder eksistensen af lillebitte tiltrækningskraft mellem tætsiddende metalplader på grund af resonans i vakuumenergien i rummet mellem dem. Dette fænomen er kendt som Casimir-effekten og er siden blevet omhyggeligt verificeret eksperimentelt. Derfor siges vakuumenergi at være "rigtig" i samme forstand, som mere velkendte konceptuelle objekter såsom elektroner, magnetfelter osv. er virkelige. Imidlertid er alternative forklaringer på Casimir-effekten siden blevet foreslået. [ti]

Andre forudsigelser er sværere at verificere. Vakuumsvingninger skabes altid i form af partikel-antipartikel-par. Oprettelsen af ​​disse virtuelle partikler nær begivenhedshorisonten antog fysikeren Stephen Hawking et sort hul som en mekanisme for den mulige "fordampning" af sorte huller . [11] Hvis et af parret trækkes ind i det sorte hul forud for dette, så bliver den anden partikel "virkelig", og energi/masse udstråles i det væsentlige ud i rummet fra det sorte hul. Dette tab er kumulativt og kan i sidste ende få det sorte hul til at forsvinde. Den nødvendige tid afhænger af massen af ​​det sorte hul (ligningerne viser, at jo mindre det sorte hul er, jo hurtigere fordamper det), men kan være i størrelsesordenen 10.100 år for store sorte huller med solmasse. [elleve]

Vakuumenergien har også vigtige implikationer for den fysiske kosmologi. Generel relativitetsteori forudsiger, at energi svarer til masse, og derfor, hvis vakuumenergi "virkelig eksisterer", skal den udøve en tyngdekraft . Som sådan forventes ikke-nul vakuumenergi at bidrage til den kosmologiske konstant , som påvirker udvidelsen af ​​universet . [6] [12]

Historie

I 1934 brugte Georges Lemaitre tilstandsligningen for en usædvanlig ideel gas til at fortolke den kosmologiske konstant som værende på grund af vakuumenergi. I 1948 gav Casimir-effekten en eksperimentel metode til at teste eksistensen af ​​vakuumenergi; i 1955 foreslog Evgeny Lifshitz en anden oprindelse for Casimir-effekten. I 1957 beviste Li og Yang begreberne brudt symmetri og paritetskrænkelse , som de modtog Nobelprisen for. I 1973 foreslog E. Tryon nul-energi- universets hypotese : Universet kunne være en storstilet kvantemekanisk vakuumfluktuation, hvor positiv masse -energi balanceres af negativ gravitationel potentiel energi . I løbet af 1980'erne blev der gjort mange forsøg på at relatere vakuumenergigenererende felter til specifikke felter, der blev forudsagt af forsøg på Grand Unified Theories og at bruge observationer af universet til at understøtte den ene eller den anden version. Den nøjagtige natur af partiklerne (eller feltet), der genererer vakuumenergi med en tæthed svarende til den, der kræves af inflationsteori, forbliver dog et mysterium.

Se også

Noter

  1. ↑ Penrose R. Mode, tro, fantasi og universets nye fysik. - Skt. Petersborg, Peter, 2020. - s. 319
  2. ↑ 1 2 Fysisk vakuum // Mikroverdenens fysik. - M., Soviet Encyclopedia , 1980. - s. 131
  3. ↑ Stern B. , Rubakov V. Astrophysics. Trinity mulighed. - M., AST, 2020. - s. 44
  4. ↑ Battersby ,  Stephen _ _ _  . Ny videnskabsmand . Dato for adgang: 18. juni 2020.
  5. ↑ Scientific American. 1997. OPFØLGNING: Hvad er 'nulpunktsenergien' (eller 'vakuumenergien') i kvantefysikken? Er det virkelig muligt, at vi kunne udnytte denne energi? — Scientific American. [ONLINE] Tilgængelig på: http://www.scientificamerican.com/article/follow-up-what-is-the-zer/ . [Få adgang 27. september 2016].
  6. ↑ 1 2 Zeldovich Ya. B. , Khlopov M. Yu. Drama af ideer i viden om naturen. - M., Nauka, 1988. - s. 177
  7. ↑ 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
  8. ↑ Feynman R. , Hibs A. Kvantemekanik og stiintegraler. - M., Mir, 1968. - s. 267
  9. ↑ Henley E., Thirring W. Elementær kvantefeltteori. - M., IL, 1963. - s. tyve
  10. ↑ RL Jaffe: Casimir-effekten og kvantevakuumet . I: Physical Review D. Band 72, 2005 [1]
  11. ↑ 1 2 Side, Don N. (1976). "Partikelemissionshastigheder fra et sort hul: Masseløse partikler fra et uladet, ikke-roterende hul". Fysisk gennemgang D. 13 (2): 198-206. Bibcode : 1976PhRvD..13..198P . DOI : 10.1103/PhysRevD.13.198 .
  12. ↑ Dolgov A. D. "Kosmologi: fra Pomeranchuk til i dag" UFN 184 211-221 (2014)

Eksterne artikler og links