Energie vakua

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 28. dubna 2022; kontroly vyžadují 7 úprav .

Energie vakua  je součtem energií nejnižších energetických stavů všech kvantovaných polí ve vakuu. [1] [2] Energie vakua je homogenní v prostoru a konstantní v čase. Jeho hustota je světová konstanta [3] [4] [5] .

Důsledky existence vakuové energie lze experimentálně pozorovat u různých jevů, jako je spontánní emise , Casimirův efekt a Lambův posun . Předpokládá se také, že ovlivňuje chování vesmíru na kosmologických měřítcích .

Astronomické údaje o maximální hodnotě kosmologické konstanty ukazují, že hustota energie vakua nepřesahuje 10 −28 g/(cm 3 ) nebo 10 −9 joulů 10 −2 erg ), neboli ~5 GeV na metr krychlový. [6] [7]

V kvantové elektrodynamice se však v souladu s principem Lorentzovy invariance a s hodnotou Planckovy konstanty předpokládá mnohem větší hodnota 2*10 15 g/(cm 3 ). [8] Tento obrovský rozdíl je známý jako problém kosmologické konstanty .

Původ

Kvantová teorie pole říká, že všechna základní pole , jako je elektromagnetické pole , musí být kvantována v každém bodě prostoru. Pole ve fyzice si lze představit, jako by byl prostor vyplněn propojenými vibrujícími koulemi a pružinami a síla pole je jako posunutí koule z její klidové polohy. [9] Teorie vyžaduje přítomnost takových "fluktuací", přesněji řečeno takových změn intenzity pole, které by se šířily v souladu s vlnovou rovnicí konkrétního uvažovaného pole. Druhá kvantizační metoda kvantové teorie pole vyžaduje, aby matematický popis každé takové kombinace kuličky a pružiny byl kvantován, to znamená, aby byla kvantována intenzita pole v každém bodě prostoru. Polní excitace odpovídají přítomnosti elementárních částic . I vakuum má tedy podle teorie extrémně složitou strukturu a všechny výpočty kvantové teorie pole je nutné provádět ve vztahu k tomuto modelu vakua.

Teorie tvrdí, že vakuum má implicitně stejné vlastnosti jako částice, jako je rotace nebo polarizace v případě světla , energie a tak dále. Podle teorie se většina těchto vlastností v průměru vyruší a vakuum zůstane prázdné v doslovném smyslu slova. [2] Jednou důležitou výjimkou je však energie vakua nebo očekávaná hodnota energie vakua. Kvantování jednoduchého harmonického oscilátoru vyžaduje nejnižší možnou energii nebo nulovou energii takového oscilátoru, který bude

Součet přes všechny možné oscilátory ve všech bodech prostoru dává nekonečnou hodnotu. Aby se toto nekonečno odstranilo, lze tvrdit, že fyzikálně měřitelné jsou pouze rozdíly v energii, podobně jako se po staletí v klasické mechanice uvažovalo o konceptu potenciální energie . Tento argument je jádrem teorie renormalizace . Ve všech praktických výpočtech se takto zachází s nekonečnem.

Energii vakua lze také považovat za virtuální částice (také známé jako fluktuace vakua ), které jsou vytvářeny a ničeny z vakua. Tyto částice vždy vznikají v párech částice-antičástice , které se ve většině případů brzy navzájem anihilují a mizí. Tyto částice a antičástice však mohou interagovat s ostatními, než zmizí. Tyto procesy lze zobrazit pomocí Feynmanových diagramů . Všimněte si, že tato metoda výpočtu energie vakua je matematicky ekvivalentní tomu, že máme v každém bodě kvantový harmonický oscilátor , a proto čelí stejným problémům s renormalizací.

Další příspěvek k energii vakua pochází ze spontánního porušení symetrie v kvantové teorii pole .

Důsledky

Energie vakua má řadu pozorovatelných důsledků. V roce 1948 holandský fyzik H. Casimir a D. Polder předpověděli existenci malé přitažlivé síly mezi těsně umístěnými kovovými deskami v důsledku rezonance energie vakua v prostoru mezi nimi. Tento jev je známý jako Casimirův efekt a od té doby byl pečlivě experimentálně ověřen. Proto se o energii vakua říká, že je „skutečná“ ve stejném smyslu, jako jsou skutečné známější koncepční objekty, jako jsou elektrony, magnetická pole atd. Od té doby však byla navržena alternativní vysvětlení Casimirova efektu. [deset]

Jiné předpovědi je těžší ověřit. Kolísání vakua se vždy vytváří ve formě párů částice-antičástice. Fyzik Stephen Hawking , který vytvořil tyto virtuální částice v blízkosti horizontu událostí, předpokládal vznik černé díry jako mechanismu pro možné „vypařování“ černých děr . [11] Pokud je jeden z páru vtažen do černé díry předtím, pak se druhá částice stane „skutečnou“ a energie/hmotnost je v podstatě vyzařována do prostoru z černé díry. Tato ztráta je kumulativní a mohla by nakonec způsobit zmizení černé díry. Potřebný čas závisí na hmotnosti černé díry (rovnice ukazují, že čím menší černá díra, tím rychleji se vypařuje), ale u velkých černých děr o hmotnosti Slunce může být řádově 10 100 let . [jedenáct]

Energie vakua má také důležité důsledky pro fyzikální kosmologii. Obecná teorie relativity předpovídá, že energie je ekvivalentní hmotnosti, a proto, pokud energie vakua „skutečně existuje“, musí vyvíjet gravitační sílu. Očekává se, že nenulová energie vakua jako taková přispěje ke kosmologické konstantě , která ovlivňuje expanzi vesmíru . [6] [12]

Historie

V roce 1934 použil Georges Lemaitre stavovou rovnici pro neobvyklý ideální plyn , aby interpretoval kosmologickou konstantu jako důsledek energie vakua. V roce 1948 poskytl Casimirův efekt experimentální metodu pro testování existence vakuové energie; v roce 1955 Evgeny Lifshitz navrhl jiný původ Casimirova efektu. V roce 1957 Li a Yang dokázali koncepty porušené symetrie a porušení parity , za což obdrželi Nobelovu cenu. V roce 1973 E. Tryon navrhl hypotézu vesmíru s nulovou energií : Vesmír by mohl být rozsáhlou kvantově mechanickou fluktuací vakua, kde je kladná hmotnostní energie vyvážena negativní gravitační potenciální energií . Během 80. let 20. století bylo učiněno mnoho pokusů spojit pole generující energii vakua se specifickými poli, která byla předpovězena pokusy o velké sjednocené teorie , a využít pozorování vesmíru k podpoře jedné nebo druhé verze. Přesná povaha částic (nebo pole), které generují energii vakua s hustotou podobnou té, kterou vyžaduje teorie inflace, však zůstává záhadou.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Penrose R. Móda, víra, fantazie a nová fyzika vesmíru. - Petrohrad, Petr, 2020. - str. 319
  2. ↑ 1 2 Fyzikální vakuum // Fyzika mikrosvěta. - M., Sovětská encyklopedie , 1980. - str. 131
  3. ↑ Stern B. , Rubakov V. Astrofyzika. Možnost Trinity. - M., AST, 2020. - str. 44
  4. ↑ Battersby ,  Stephen _ _ _  . Nový vědec . Datum přístupu: 18. června 2020.
  5. ↑ Scientific American. 1997. FOLLOW-UP: Co je to „energie nulového bodu“ (nebo „energie vakua“) v kvantové fyzice? Je opravdu možné, že bychom mohli využít tuto energii? — Scientific American. [ONLINE] Dostupné na: http://www.scientificamerican.com/article/follow-up-what-is-the-zer/ . [Přístup 27. září 2016].
  6. ↑ 1 2 Zeldovich Ya. B. , Khlopov M. Yu. Drama myšlenek v poznání přírody. - M., Nauka, 1988. - str. 177
  7. ↑ Sean Carroll, Sr Research Associate - Physics, California Institute of Technology , 22. června 2006 C-SPAN vysílání Kosmologie na každoročním vědeckém panelu Kos, část 1
  8. ↑ Feynman R. , Hibs A. Kvantová mechanika a dráhové integrály. - M., Mir, 1968. - str. 267
  9. ↑ Henley E., Thirring W. Elementární kvantová teorie pole. - M., IL, 1963. - str. dvacet
  10. ↑ RL Jaffe: Casimirův efekt a kvantové vakuum . In: Fyzikální přehled D. Band 72, 2005 [1]
  11. ↑ 1 2 Strana, Don N. (1976). „Rychlost emisí částic z černé díry: Bezhmotné částice z nenabité, nerotující díry“. Fyzický přehled D. 13 (2): 198-206. Bibcode : 1976PhRvD..13..198P . DOI : 10.1103/PhysRevD.13.198 .
  12. ↑ Dolgov A. D. "Kosmologie: od Pomerančuku do současnosti" UFN 184 211-221 (2014)

Externí články a odkazy