Vakuum kvantové teorie pole

Vakuum kvantové teorie pole  - (také kvantové vakuum nebo vakuový stav ) je kvantový stav v kvantové teorii pole s nejnižší možnou energií. Zpravidla neobsahuje fyzikální částice. "Nulové pole" se někdy používá jako synonymum pro vakuový stav jednoho kvantovaného pole.

Podle moderního chápání toho, co se nazývá vakuový stav nebo kvantové vakuum, to „v žádném případě není jednoduchý prázdný prostor “. [1] [2] Podle kvantové teorie pole není fyzikální vakuum ve skutečnosti prázdný prostor, ale obsahuje objevující se, interagující a mizející virtuální elektromagnetické vlny a částice . [3] [4] [5] [6] Virtuální procesy ve vakuu se projevují řadou pozorovaných efektů při interakci skutečných elementárních částic s vakuem, [7] jako s jakýmsi fyzikálním „médiem“, ve kterém se pohybují . [osm]

První vakuum kvantové teorie pole, jehož teorie byla vyvinuta ve 30. letech a přeformulována koncem 40. a začátkem 50. let Feynmanem , Tomonagou a Schwingerem , kteří za tuto práci v roce 1965 společně obdrželi Nobelovu cenu, byla vakuová kvantová elektrodynamika QED . [9]

V současné době jsou elektromagnetická síla a slabá síla kombinovány (pouze při velmi vysokých energiích) v teorii elektroslabé síly .

Standardní model je zobecněním QED, které zahrnuje všechny známé elementární částice a jejich interakce (kromě gravitace). Kvantová chromodynamika (nebo QCD) je část standardního modelu, která se zabývá silnou silou a vakuum QCD je vakuum kvantové chromodynamiky. Je zkoumán na Velkém hadronovém urychlovači a relativistickém urychlovači těžkých iontů a jeho vlastnosti souvisejí s tzv. vakuovou strukturou silných interakcí . [deset]

Nenulová očekávaná hodnota

Pokud lze kvantovou teorii pole přesně popsat pomocí poruchové teorie , pak jsou vlastnosti vakua analogické vlastnostem základního stavu kvantově mechanického harmonického oscilátoru nebo přesněji základního stavu při měření . V tomto případě zmizí očekávaná hodnota vakua (VEV) jakéhokoli operátora pole . U kvantových teorií pole, kde se poruchová teorie rozpadá při nízkých energiích (např. kvantová chromodynamika nebo BCS teorie supravodivosti ), mohou mít operátoři pole nemizí očekávanou hodnotu vakua , nazývanou kondenzát . V teorii standardního modelu je nenulové očekávané vakuum Higgsova pole v důsledku spontánního porušení symetrie mechanismem, kterým ostatní pole získávají hmotnost.

Energie

Stav vakua je spojen s nulovou energií (ekvivalent stavu s nejnižší možnou energií), která se projevuje fyzikálně měřitelnými účinky. Jeden z těchto účinků, Casimirův jev , lze detekovat v laboratoři. Ve fyzikální kosmologii je energie kosmologického vakua reprezentována jako kosmologická konstanta . Ve skutečnosti byla energie krychlového centimetru prázdného prostoru obrazně vypočítána jako jeden bilion ergů (neboli 0,6 eV). [11] Základním požadavkem pro jakoukoli potenciální teorii všeho je, že energie stavu kvantového vakua musí vysvětlit fyzikálně pozorovatelnou kosmologickou konstantu.

Symetrie

V relativistické teorii pole je vakuum pod Poincarého transformacemi invariantní , což vyplývá z Whitemanových axiomů , ale lze je také dokázat přímo bez použití těchto axiomů. [12]

Poincarého invariance implikuje, že pouze skalární kombinace operátorů pole mají nemizející WHO . WHO může rozbít některé ty vnitřní symetrie Lagrangian teorie pole . V tomto případě má vakuum menší symetrii, než dovoluje teorie, a lze říci, že došlo k samovolnému porušení symetrie . Viz Higgsův mechanismus , Standardní model .

Nelineární permitivita

Očekává se, že kvantové opravy Maxwellových rovnic povedou ve vakuu k malému nelineárnímu členu elektrické polarizace, což způsobí odchylku elektrické permitivity pole od nominální permitivity vakua . [13] Tento teoretický vývoj je popsán například v dílech Dietricha a Giese. [6]

Teorie kvantové elektrodynamiky předpovídá, že vakuum QED by mělo vykazovat mírnou nelinearitu , takže v přítomnosti velmi silného elektrického pole se permitivita zvyšuje o nepatrné množství vzhledem k . Navíc, a co by bylo snazší (ale stále velmi obtížné!) pozorovat, je to, že silné elektrické pole změní efektivní propustnost volného prostoru a stane se anizotropním s hodnotou mírně nižší ve směru elektrického pole a mírně vyšší v kolmý směr, takže tím vykazuje dvojlom pro elektromagnetickou vlnu putující ve směru odlišném od směru elektrického pole. Efekt je podobný Kerrovu efektu , ale bez přítomnosti hmoty. [čtrnáct]

Tato nepatrná nelinearita může být interpretována jako virtuální produkce elektron-pozitronových párů [15].

Předpovídá se, že požadované elektrické pole bude obrovské, kolem V/m, známé jako Schwingerův limit ; Ekvivalentní Kerrova konstanta byla odhadnuta asi 1020krát menší než Kerrova konstanta vody. Byla také navržena vysvětlení dichroismu z částicové fyziky, mimo kvantovou elektrodynamiku. [16] Experimentálně měřit takový efekt je velmi obtížné, [17] a zatím se to nepodařilo.

Virtuální částice

Přítomnost virtuálních částic může být striktně založena na vlastnosti nekomutativnosti kvantovaných elektromagnetických polí . Nekomutativnost znamená, že i když střední hodnoty polí v kvantovém vakuu mizí, jejich odchylky nezmizí. [18] Termín „ fluktuace vakua “ označuje rozptyl intenzity pole ve stavu minimální energie [19] a je vizuálně popsán pomocí „virtuálních částic“. [dvacet]

Někdy jsou činěny pokusy poskytnout intuitivní obraz virtuálních částic nebo fluktuací na základě Heisenbergova principu neurčitosti energie a času:

(v tomto případě a jsou změny energie a času, v tomto pořadí;  je přesnost měření energie a  je čas strávený měřením a  je snížená Planckova konstanta ), s argumentem, že krátká životnost virtuálních částic umožňuje „vypůjčit si“ velké energie z vakua a tím umožnit generování částic během krátké doby. [21] Ačkoli je koncept virtuálních částic obecně přijímán, tato interpretace vztahu neurčitosti mezi energií a časem není obecně přijímána. [22] [23]

Jedním z problémů je použití vztahu nejistoty, který omezuje přesnost měření, jako by nejistota v čase diktovala „rozpočet“ na výpůjčku energie . Dalším problémem je význam „času“ v tomto ohledu, protože energie a čas (na rozdíl např. od souřadnice q a hybnosti p ) nesplňují vztah kanonické komutace (např . ). [24]

Různá schémata byla vyvinuta pro konstrukci pozorovatelného, ​​který má určitou časovou interpretaci a přesto vyhovuje kanonickému komutačnímu vztahu s energií. [25] [26] V souvislosti s tímto problémem je diskutováno mnoho různých přístupů k principu neurčitosti energie a času [26]

Fyzikální povaha kvantového vakua

Podle Astrid Lambrecht (2002): "Když člověk uvolní prostor veškeré hmoty a sníží teplotu na absolutní nulu, vytvoří v myšlenkovém experimentu stav kvantového vakua." [jeden]

Podle Fowlera a Guggenheima (1939/1965) lze třetí termodynamický zákon vyjádřit přesně takto:

Žádná procedura, bez ohledu na to, jak je idealizovaná, nemůže snížit jakýkoli fyzický systém na absolutní nulu v konečném počtu operací. [27] (Viz také [28] [29] [30] .)

Interakce foton-foton může nastat pouze díky interakci s vakuovým stavem nějakého jiného pole, například prostřednictvím Diracova elektron-pozitronového vakuového pole; to souvisí s konceptem polarizace vakua . [31] Podle Milonni (1994): „… všechna kvantová pole mají energie nulového bodu a fluktuace vakua.“ [32]

To znamená, že pro každý druh pole (uvažováno v konceptuální absenci jiných polí), jako je elektromagnetické pole, Diracovo elektron-pozitronové pole a tak dále, existuje odpovídající druh kvantového vakua. Podle Milonniho (1994) mohou mít některé jevy připisované vakuu elektromagnetickému poli více fyzikálních interpretací, některé obecněji přijímané než jiné. Casimirova přitažlivost mezi nenabitými vodivými deskami je často nabízena jako příklad účinku vakuového elektromagnetického pole. Schwinger, DeRaad a Milton (1978) jsou citováni Milonnim (1994) jako platná, i když nekonvenční vysvětlení Casimirova jevu s modelem, ve kterém je „vakuum považováno za skutečný stav se všemi fyzikálními vlastnostmi rovnými nule“. [33] [34]

V tomto modelu jsou pozorované jevy vysvětlovány jako vliv pohybu elektronů na elektromagnetické pole, nazývaný efekt zdrojového pole. Milonni píše:

Hlavní myšlenkou by zde bylo, že Casimirova síla může být odvozena pouze z původních polí, dokonce i v naprosto obyčejném QED,… Milonni podrobně argumentuje, že měřitelné fyzikální účinky běžně připisované vakuovému elektromagnetickému poli nelze vysvětlit pouze tímto polem, ale navíc vyžadují příspěvek vlastní energie elektronů nebo jejich radiační reakce. Píše: „Reakce záření a

vakuová pole jsou dva aspekty téže věci, pokud jde o fyzikální interpretace různých procesů QED, včetně Lambova posunu , van der Waalsových sil a Casimirových efektů." [35]

Tento názor vyjadřuje i Jeff (2005): "Casimirovu sílu lze vypočítat bez zohlednění fluktuací vakua a stejně jako všechny ostatní pozorovatelné efekty v QED zmizí, když konstanta jemné struktury klesne na nulu." [36]

Notace

Stav vakua se zapisuje jako nebo . Očekávaná hodnota vakua (viz také Očekávaná hodnota měření (kvantová mechanika) ) jakéhokoli pole by měla být zapsána jako .

Viz také

Odkazy a poznámky

  1. ↑ 1 2 Astrid Lambrechtová. Pozorování mechanické disipace v kvantovém vakuu: experimentální výzva; v oboru Laserová fyzika na hranici  / Hartmut Figger ; Dieter Meschede; Claus Zimmermann. - Berlin/New York: Springer, 2002. - S. 197. - ISBN 978-3-540-42418-5 . Archivováno 10. července 2021 na Wayback Machine
  2. ↑ Christopher Ray. Čas, prostor a filozofie . — London/New York : Routledge, 1991. — S. Kapitola 10, str. 205. - ISBN 978-0-415-03221-6 . Archivováno 10. července 2021 na Wayback Machine
  3. ↑ A.P. Martynenko Vakuum v moderní kvantové teorii Archivní kopie ze dne 26. listopadu 2019 na Wayback Machine // Soros Educational Journal , ročník 7, č. 5, 2001
  4. ↑ Aktualizace AIP Physics News, 1996 (stahovací linka) . Získáno 10. července 2021. Archivováno z originálu dne 29. ledna 2008. 
  5. ↑ Fyzická revize Focus Dec. 1998 . Získáno 10. července 2021. Archivováno z originálu dne 27. září 2011.
  6. ↑ 1 2 Walter Dittrich. Probing the quantum Vacuum: perturbative effective action approach  / Walter Dittrich, Gies H. - Berlin : Springer, 2000. - ISBN 978-3-540-67428-3 .
  7. ↑ Fyzikální vakuum // Fyzikální encyklopedický slovník . - M. , Velká ruská encyklopedie , 1995. - str. 61
  8. ↑ Bogolyubov N. N. , Shirkov D. V. Úvod do teorie kvantovaných polí. - M. , Nauka , 1957. - str. 139
  9. ↑ Historickou diskusi viz např. Kvantová elektrodynamika (QED) // Historická encyklopedie přírodních a matematických věd / Ari Ben-Mena?em. — 5. - Springer, 2009. - Sv. 1. - S. 4892ff . - ISBN 978-3-540-68831-0 . Podrobnosti o Nobelově ceně a Nobelových přednáškách od těchto autorů viz The Nobel Prize in Physics 1965 . nobelprize.org. Datum přístupu: 6. února 2012. Archivováno z originálu 7. dubna 2018.
  10. ↑ Jean Letessier. Hadrony a kvark-gluonové plazma  / Jean Letessier, Johann Rafelski. - Cambridge University Press, 2002. - S. 37 a násl . — ISBN 978-0-521-38536-7 . Archivováno 10. července 2021 na Wayback Machine
  11. ↑ Sean Carroll, Sr Research Associate - Physics, California Institute of Technology , 22. června 2006 C-SPAN vysílání Kosmologie na každoročním vědeckém panelu Kos, část 1
  12. ↑ Bednorz, Adam (listopad 2013). „Relativistická invariance vakua“. Evropský fyzický časopis 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), Nelineární elektrodynamika a QED, arΧiv : hep-th/0610088 . 
  14. ↑ Mourou, GA, T. Tajima a SV Bulanov, Optika v relativistickém režimu ; § XI Nelineární QED , Reviews of Modern Physics sv. 78 (č. 2), 309-371 (2006) soubor pdf .
  15. ↑ Klein, James J. a BP Nigam, Dvojlom vakua , Physical Review sv. 135 , str. B1279-B1280 (1964).
  16. ↑ Holger Gies; Joerg Jaeckel; Andreas Ringwald (2006). "Polarizované světlo šířící se v magnetickém poli jako sonda nabitých fermionů." Fyzické kontrolní dopisy . 97 (14): 140402. arXiv : hep-ph/0607118 . Bibcode : 2006PhRvL..97n0402G . DOI : 10.1103/PhysRevLett.97.140402 . PMID  17155223 . S2CID  43654455 . Znak konce řádku |title=na pozici #63 ( nápověda )
  17. ↑ Davis; Joseph Harris; Gammon; Smolyaninov & Kyuman Cho (2007), Experimentální výzvy zapojené do hledání částic podobných axionům a nelineárních kvantových elektrodynamických efektů pomocí citlivých optických technik, arΧiv : 0704.0748 [hep-th]. 
  18. ↑ Myron Wyn Evans . Moderní nelineární optika, svazek 85, část 3  / Myron Wyn Evans, Stanislaw Kielich. - John Wiley & Sons, 1994. - S. 462. - "Pro všechny stavy pole, které mají klasický protějšek, jsou kvadraturní odchylky pole také větší nebo rovné tomuto komutátoru...". - ISBN 978-0-471-57548-1 . Archivováno 10. července 2021 na Wayback Machine
  19. ↑ David Nikolajevič Klyško. Fotony a nelineární optika . - Taylor & Francis, 1988. - S. 126. - ISBN 978-2-88124-669-2 . Archivováno 10. července 2021 na Wayback Machine
  20. ↑ Milton K. Munitz. Kosmické porozumění: Filosofie a věda o vesmíru . - Princeton University Press, 1990. - S. 132. - "Spontánní, dočasné vynoření částic z vakua se nazývá "fluktuace vakua". - ISBN 978-0-691-02059-4 . Archivováno 10. července 2021 na Wayback Machine
  21. ↑ Například viz PCW Davies. [ Náhodný vesmír . - Cambridge University Press, 1982. - S.  106 . - ISBN 978-0-521-28692-3 .
  22. ↑ Pro jednodušší popis viz Jonathan Allday. Kvarky, leptony a velký třesk . — 2. - CRC Press, 2002. - S. 224 a násl . — „Interakce bude trvat určitou dobu ?t . To znamená, že amplituda celkové energie zapojené do interakce je rozprostřena v rozsahu energií ?E .". — ISBN 978-0-7503-0806-9 . Archivováno 10. července 2021 na Wayback Machine
  23. ↑ Tato myšlenka „půjčování“ vedla k návrhům na použití vakuové energie nulového bodu jako nekonečného rezervoáru a mnoha pohledů na tuto interpretaci. Viz například Moray B. King. Hledání energie nulového bodu: inženýrské principy pro vynálezy „volné energie“ . - Adventures Unlimited Press, 2001. - S. 124 a násl . - ISBN 978-0-932813-94-7 . Archivováno 10. července 2021 na Wayback Machine
  24. ↑ Veličiny, které splňují pravidlo kanonické komutace, jsou považovány za nekonzistentní pozorovatelné veličiny, což znamená, že je lze měřit pouze současně s omezenou přesností. Viz Kiyoshi Ito. § 351 (XX.23) C: Kanonické komutační vztahy // Encyklopedický slovník matematiky. — 2. - MIT Press, 1993. - S. 1303. - ISBN 978-0-262-59020-4 .
  25. ↑ Paul Busch . §III.4: Energie a čas // Operační kvantová fyzika  / Paul Busch, Marian Grabowski, Pekka J. Lahti. - Springer, 1995. -  S. 77ff . — ISBN 978-3-540-59358-4 .
  26. ↑ 1 2 Viz recenzi od Paula Busche . Kapitola 3: Vztah nejistoty času a energie // Čas v kvantové mechanice / JG Muga ; R. Sala Mayato; IL Egusquiza. — 2. - Springer, 2008. - Sv. 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). Statistická termodynamika. Verze statistické mechaniky pro studenty fyziky a chemie , přetištěno s opravami, Cambridge University Press, Londýn, strana 224.
  28. ↑ Partington, JR (1949). Pokročilé pojednání o fyzikální chemii , svazek 1, Základní principy. The Properties of Gases , Longmans, Green and Co., Londýn, strana 220.
  29. ↑ Wilks, J. (1971). Třetí zákon termodynamiky, kapitola 6 v termodynamice , svazek 1, ed. W. Jost, z H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Physical Chemistry. An Advanced Treatise , Academic Press, New York, strana 477.
  30. ↑ Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics , American Institute of Physics, New York, ISBN 0-88318-797-3 , strana 342.
  31. ↑ Jauch, JM, Rohrlich, F. (1955/1980). Teorie fotonů a elektronů. The Relativistic Quantum Field Theory of Charged Particles with Spinning One-half , druhé rozšířené vydání, Springer-Verlag, New York, ISBN 0-387-07295-0 , strany 287-288.
  32. ↑ Milonni, PW (1994). Kvantové vakuum. An Introduction to Quantum Electrodynamics , Academic Press, Inc., Boston, ISBN 0-12-498080-5 , strana xv.
  33. ↑ Milonni, PW (1994). Kvantové vakuum. An Introduction to Quantum Electrodynamics , Academic Press, Inc., Boston, ISBN 0-12-498080-5 , strana 239.
  34. ↑ Schwinger, J.; DeRaad, LL; Milton, K. A. (1978). „Casimirův efekt v dielektriku“. Annals of Physics . 115 (1): 1-23. Bibcode : 1978AnPhy.115....1S . DOI : 10.1016/0003-4916(78)90172-0 .
  35. ↑ Milonni, PW (1994). Kvantové vakuum. An Introduction to Quantum Electrodynamics , Academic Press, Inc., Boston, ISBN 0-12-498080-5 , strana 418.
  36. ↑ Jaffe, R. L. (2005). Casimirův jev a kvantové vakuum, Phys. Rev. D 72 : 021301(R), http://1–5.cua.mit.edu/8.422_s07/jaffe2005_casimir.pdf  (nedostupný odkaz)

Další čtení

Odkazy