Vakuum av kvantfältteori

Vakuum av kvantfältteori  - (även kvantvakuum eller vakuumtillstånd ) är ett kvanttillstånd inom kvantfältteorin med lägsta möjliga energi. Som regel innehåller den inte fysiska partiklar. "Nollfält" används ibland som en synonym för vakuumtillståndet för ett enskilt kvantiserat fält.

Enligt den moderna förståelsen av det som kallas vakuumtillståndet eller kvantvakuumet är det "på intet sätt ett enkelt tomt utrymme ". [1] [2] Enligt kvantfältteorin är det fysiska vakuumet egentligen inte tomt utrymme, utan innehåller uppträdande, interagerande och försvinnande virtuella elektromagnetiska vågor och partiklar . [3] [4] [5] [6] Virtuella processer i vakuum manifesteras i ett antal observerade effekter i interaktionen av verkliga elementarpartiklar med vakuum, [7] som med ett slags fysiskt "medium" i vilket de rör sig . [åtta]

Det första vakuumet av kvantfältteorin , vars teori utvecklades på 1930-talet och omformulerades i slutet av 1940-talet och början av 1950-talet av Feynman , Tomonaga och Schwinger , som tillsammans fick Nobelpriset för detta arbete 1965, var QED vakuumkvantelektrodynamik . [9]

För närvarande kombineras den elektromagnetiska kraften och den svaga kraften (endast vid mycket höga energier) i teorin om den elektrosvaga kraften .

Standardmodellen är en generalisering av QED som inkluderar alla kända elementarpartiklar och deras interaktioner (förutom gravitation). Kvantkromodynamik (eller QCD) är den del av standardmodellen som handlar om den starka kraften och vakuumet hos QCD är kvantkromodynamikens vakuum. Det undersöks vid Large Hadron Collider och Relativistic Heavy Ion Collider , och dess egenskaper är relaterade till den så kallade vakuumstrukturen av starka interaktioner . [tio]

Förväntat värde som inte är noll

Om kvantfältteori kan beskrivas exakt med hjälp av störningsteori , då egenskaperna hos vakuumet är analoga med de för grundtillståndet för en kvantmekanisk harmonisk oscillator , eller mer exakt, grundtillståndet när det mäts . I detta fall försvinner det förväntade vakuumvärdet (VEV) för alla fältoperatörer . För kvantfältteorier där störningsteorin går sönder vid låga energier (t.ex. kvantkromodynamik eller BCS teori om supraledning ), kan fältoperatörer ha ett icke-försvinnande förväntat vakuumvärde , kallat kondensat . I teorin för standardmodellen är Higgsfältets förväntade vakuum som inte är noll på grund av spontan symmetribrott den mekanism genom vilken andra fält får massa.

Energi

Vakuumtillståndet är förknippat med nollenergi , (motsvarande tillståndet med lägsta möjliga energi) vilket visar sig i fysiskt mätbara effekter. En av dessa effekter, Casimir-effekten , kan upptäckas i laboratoriet. I fysisk kosmologi representeras energin i det kosmologiska vakuumet som en kosmologisk konstant . Faktum är att energin för en kubikcentimeter tomt utrymme har bildligt beräknats som en biljon erg (eller 0,6 eV). [11] Ett grundläggande krav för varje potentiell teori om allting är att energin i kvantvakuumtillståndet måste förklara den fysiskt observerbara kosmologiska konstanten.

Symmetri

I den relativistiska fältteorin är vakuumet invariant under Poincaré-transformationer , vilket följer av Whitemans axiom , men kan också bevisas direkt utan att använda dessa axiom. [12]

Poincaré-invariansen innebär att endast skalära kombinationer av fältoperatörer har icke -försvinnande WHO :er . WHO kan bryta några av de interna symmetrierna i fältteorin Lagrangian . I det här fallet har vakuumet mindre symmetri än vad teorin tillåter, och man kan säga att ett spontant symmetribrott har inträffat . Se Higgs mekanism , standardmodell .

Icke-linjär permittivitet

Kvantkorrigeringar av Maxwells ekvationer förväntas resultera i en liten icke-linjär elektrisk polarisationsterm i vakuum, vilket får fältets elektriska permittivitet att avvika från den nominella vakuumpermittiviteten . [13] Dessa teoretiska utvecklingar beskrivs till exempel i Dietrichs och Gies verk. [6]

Kvantelektrodynamikteorin förutspår att QED-vakuumet bör uppvisa en liten icke-linjäritet , så att i närvaro av ett mycket starkt elektriskt fält ökar permittiviteten med en liten mängd med avseende på . Dessutom, och vad som skulle vara lättare att observera (men fortfarande mycket svårt!), är att ett starkt elektriskt fält kommer att förändra den effektiva permeabiliteten för fritt utrymme, och bli anisotropt med ett värde något lägre i det elektriska fältets riktning och något högre i den vinkelräta riktningen, så att den därigenom uppvisar dubbelbrytning för en elektromagnetisk våg som rör sig i en annan riktning än det elektriska fältet. Effekten liknar Kerr-effekten , men utan närvaro av materia. [fjorton]

Denna lilla icke-linjäritet kan tolkas i termer av den virtuella produktionen av elektron-positronpar [15]

Det elektriska fältet som krävs förutspås vara enormt, runt V/m, känd som Schwinger-gränsen ; Den ekvivalenta Kerr-konstanten uppskattades vara cirka 1020 gånger mindre än Kerr-konstanten för vatten. Förklaringar av dikroism från partikelfysik, utanför kvantelektrodynamiken, har också föreslagits. [16] Det är mycket svårt att mäta en sådan effekt experimentellt, [17] och har ännu inte varit framgångsrik.

Virtuella partiklar

Närvaron av virtuella partiklar kan strikt baseras på egenskapen av icke- kommutativitet hos kvantiserade elektromagnetiska fält . Icke-kommutativitet innebär att även om medelvärdena för fälten försvinner i kvantvakuumet, försvinner inte deras avvikelser . [18] Termen " vakuumfluktuation " hänvisar till spridningen av fältstyrkan i tillståndet av minimal energi, [19] och beskrivs visuellt med hjälp av "virtuella partiklar". [tjugo]

Ibland görs försök att ge en intuitiv bild av virtuella partiklar eller fluktuationer utifrån Heisenbergs osäkerhetsprincip om energi och tid:

(i det här fallet, och är förändringar i energi respektive tid;  är noggrannheten för energimätningen, och  är den tid som spenderas på mätningen, och  är den reducerade Planck-konstanten ), med argumentet att den korta livslängden för virtuella partiklar tillåter dig att "låna" stora energier från vakuum och på så sätt tillåta att partiklar genereras inom kort tid. [21] Även om konceptet virtuella partiklar är allmänt accepterat, är denna tolkning av osäkerhetsrelationen mellan energi och tid inte allmänt accepterad. [22] [23]

Ett problem är användningen av en osäkerhetsrelation som begränsar mätningarnas noggrannhet, som om osäkerheten i tiden dikterade en "budget" för att låna energi . En annan fråga är betydelsen av "tid" i detta avseende, eftersom energi och tid (till skillnad från t.ex. koordinat q och momentum p ) inte uppfyller den kanoniska kommuteringsrelationen (t.ex. ). [24]

Olika scheman har utvecklats för att konstruera en observerbar som har viss tidsmässig tolkning och ändå tillfredsställer den kanoniska kommuteringsrelationen med energi. [25] [26] I samband med detta problem diskuteras många olika synsätt på principen om energi- och tidsosäkerhet [26]

Den fysiska karaktären av kvantvakuumet

Enligt Astrid Lambrecht (2002): "När en person frigör utrymme från all materia och sänker temperaturen till absoluta nollpunkten, skapar han i ett tankeexperiment ett tillstånd av kvantvakuum." [ett]

Enligt Fowler och Guggenheim (1939/1965) kan termodynamikens tredje lag anges exakt som följer:

Ingen procedur, oavsett hur idealiserad den är, kan reducera något fysiskt system till absolut noll i ett ändligt antal operationer. [27] (Se även [28] [29] [30] .)

Foton-foton-interaktion kan endast ske på grund av interaktion med vakuumtillståndet för något annat fält, till exempel genom Dirac elektron-positron-vakuumfältet; detta är relaterat till konceptet vakuumpolarisering . [31] Enligt Milonni (1994): "... alla kvantfält har nollpunktsenergier och vakuumfluktuationer." [32]

Detta betyder att för varje typ av fält (betraktad i den begreppsmässiga frånvaron av andra fält) såsom det elektromagnetiska fältet, Dirac elektron-positronfältet, och så vidare, finns det ett motsvarande slags kvantvakuum. Enligt Milonni (1994) kan några av de effekter som tillskrivs det elektromagnetiska fältvakuumet ha flera fysiska tolkningar, vissa mer allmänt accepterade än andra. Casimir-attraktionen mellan oladdade ledande plattor erbjuds ofta som ett exempel på effekten av ett elektromagnetiskt vakuumfält. Schwinger, DeRaad och Milton (1978) citeras av Milonni (1994) som giltiga, om än okonventionella, förklaringar av Casimir-effekten med en modell där "vakuumet behandlas som ett verkligt tillstånd med alla fysikaliska egenskaper lika med noll." [33] [34]

I denna modell förklaras de observerade fenomenen som påverkan av elektronernas rörelse på det elektromagnetiska fältet, kallat källfältseffekten. Milonni skriver:

Huvudtanken här skulle vara att Casimir-kraften endast kan härledas från de ursprungliga fälten även i helt vanlig QED,... Milonni gör detaljerade argument för att de mätbara fysiska effekterna som vanligtvis tillskrivs det elektromagnetiska vakuumfältet inte kan förklaras av detta ensamma fält, men kräver dessutom bidraget från elektronernas självenergi eller deras strålningsreaktion. Han skriver: "Reaktionen av strålning och

Vakuumfält är två aspekter av samma sak när det kommer till fysiska tolkningar av olika QED-processer, inklusive Lamb shift , van der Waals-krafter och Casimir-effekter." [35]

Denna uppfattning uttrycks även av Jeff (2005): "Casimirkraften kan beräknas utan att ta hänsyn till vakuumfluktuationer, och liksom alla andra observerbara effekter i QED försvinner den när finstrukturkonstanten går till noll." [36]

Notation

Vakuumtillståndet skrivs som eller . Vakuumets förväntade värde (se även Förväntat mätvärde (kvantmekanik) ) för ett fält ska skrivas som .

Se även

Länkar och anteckningar

  1. ↑ 1 2 Astrid Lambrecht. Att observera mekanisk avledning i kvantvakuumet: en experimentell utmaning; i laserfysik vid gränserna  / Hartmut Figger ; Dieter Meschede; Claus Zimmermann. - Berlin/New York: Springer, 2002. - P. 197. - ISBN 978-3-540-42418-5 . Arkiverad 10 juli 2021 på Wayback Machine
  2. ↑ Christopher Ray. Tid, rum och filosofi . — London/New York: Routledge, 1991. — P. Kapitel 10, sid. 205. - ISBN 978-0-415-03221-6 . Arkiverad 10 juli 2021 på Wayback Machine
  3. ↑ A.P. Martynenko Vakuum i modern kvantteori Arkivexemplar daterad 26 november 2019 på Wayback Machine // Soros Educational Journal , Volym 7, Nr 5, 2001
  4. ↑ AIP Physics News Update, 1996 (nedlänk) . Hämtad 10 juli 2021. Arkiverad från originalet 29 januari 2008. 
  5. ↑ Fysisk granskning fokus dec. 1998 . Hämtad 10 juli 2021. Arkiverad från originalet 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. ↑ Fysiskt vakuum // Physical Encyclopedic Dictionary . - M. , Great Russian Encyclopedia , 1995. - sid. 61
  8. ↑ Bogolyubov N. N. , Shirkov D. V. Introduktion till teorin om kvantiserade fält. - M. , Nauka , 1957. - sid. 139
  9. ↑ För en historisk diskussion, se t.ex. Quantum electrodynamics (QED) // Historical Encyclopedia of Natural and Mathematical Sciences / Ari Ben-Mena?em. — 5:a. - Springer, 2009. - Vol. 1. - S. 4892ff . - ISBN 978-3-540-68831-0 . För detaljer om Nobelpriset och Nobelföreläsningarna av dessa författare, se Nobelpriset i fysik 1965 . nobelprize.org. Datum för åtkomst: 6 februari 2012. Arkiverad från originalet 7 april 2018.
  10. ↑ Jean Letessier. Hadrons och Quark-Gluon Plasma  / Jean Letessier, Johann Rafelski. - Cambridge University Press, 2002. - S. 37 ff . — ISBN 978-0-521-38536-7 . Arkiverad 10 juli 2021 på Wayback Machine
  11. ↑ Sean Carroll, Sr Research Associate - Physics, California Institute of Technology , 22 juni 2006 C-SPAN- sändning av Cosmology vid den årliga Kos Science Panel, del 1
  12. ↑ Bednorz, Adam (november 2013). "Relativistisk invarians av vakuumet". 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), Icke-linjär elektrodynamik och QED, arΧiv : hep-th/0610088 . 
  14. ↑ Mourou, GA, T. Tajima och SV Bulanov, Optik i den relativistiska regimen ; § XI Icke-linjär QED , Reviews of Modern Physics vol. 78 (nr 2), 309-371 (2006) pdf-fil .
  15. ↑ Klein, James J. och BP Nigam, Birefringence of the vacuum , Physical Review vol. 135 , sid. B1279-B1280 (1964).
  16. ↑ Holger Gies; Joerg Jaeckel; Andreas Ringwald (2006). "Polariserat ljus som fortplantar sig i ett magnetfält som en sond av milliladdade fermioner." Fysiska granskningsbrev . 97 (14): 140402. arXiv : hep-ph/0607118 . Bibcode : 2006PhRvL..97n0402G . DOI : 10.1103/PhysRevLett.97.140402 . PMID  17155223 . S2CID  43654455 . Radbrytningstecken |title=vid position #63 ( hjälp )
  17. ↑ Davis; Joseph Harris; Humbug; Smolyaninov & Kyuman Cho (2007), Experimentella utmaningar involverade i sökningar efter axionliknande partiklar och icke-linjära kvantelektrodynamiska effekter med känsliga optiska tekniker, arΧiv : 0704.0748 [hep-th]. 
  18. ↑ Myron Wyn Evans . Modern olinjär optik, volym 85, del 3  / Myron Wyn Evans, Stanislaw Kielich. - John Wiley & Sons, 1994. - S. 462. - "För alla fälttillstånd som har en klassisk motsvarighet är kvadraturfältsavvikelserna också större än eller lika med denna kommutator...". - ISBN 978-0-471-57548-1 . Arkiverad 10 juli 2021 på Wayback Machine
  19. ↑ David Nikolaevich Klyshko. Fotoner och icke-linjär optik . - Taylor & Francis, 1988. - S. 126. - ISBN 978-2-88124-669-2 . Arkiverad 10 juli 2021 på Wayback Machine
  20. ↑ Milton K. Munitz. Kosmisk förståelse: Universums filosofi och vetenskap . - Princeton University Press, 1990. - S. 132. - "Den spontana, tillfälliga uppkomsten av partiklar från vakuum kallas en "vakuumfluktuation". - ISBN 978-0-691-02059-4 . Arkiverad 10 juli 2021 på Wayback Machine
  21. ↑ Se till exempel PCW Davies. [ Det oavsiktliga universum . - Cambridge University Press, 1982. - S.  106 . - ISBN 978-0-521-28692-3 .
  22. ↑ För en mer förenklad beskrivning, se Jonathan Allday. Kvarkar, leptoner och big bang . — 2:a. - CRC Press, 2002. - S. 224 ff . — “Interaktionen kommer att pågå under en viss tid ?t . Detta innebär att amplituden för den totala energin som är involverad i interaktionen är spridd över ett intervall av energier ?E ."". — ISBN 978-0-7503-0806-9 . Arkiverad 10 juli 2021 på Wayback Machine
  23. ↑ Denna idé om att "låna" har lett till förslag om att använda nollpunktsvakuumenergi som en oändlig reservoar, och många synpunkter på denna tolkning. Se till exempel Moray B. King. Strävan efter nollpunktsenergi: tekniska principer för uppfinningar av "fri energi" . - Adventures Unlimited Press, 2001. - S. 124 ff . - ISBN 978-0-932813-94-7 . Arkiverad 10 juli 2021 på Wayback Machine
  24. ↑ Kvantiteter som uppfyller den kanoniska kommuteringsregeln anses vara inkonsekventa observerbara, vilket betyder att de bara kan mätas samtidigt med begränsad noggrannhet. Se Kiyoshi Ito. § 351 (XX.23) C: Kanoniska kommutationsrelationer // Encyklopedisk matematiklexikon. — 2:a. - MIT Press, 1993. - P. 1303. - ISBN 978-0-262-59020-4 .
  25. ↑ Paul Busch . §III.4: Energi och tid // Operationell kvantfysik  / Paul Busch, Marian Grabowski, Pekka J. Lahti. - Springer, 1995. -  S. 77ff . — ISBN 978-3-540-59358-4 .
  26. ↑ 1 2 Se recension av Paul Busch . Kapitel 3: Tid-energiosäkerhetsrelationen // Tid i kvantmekanik / JG Muga ; R. Sala Mayato; IL Egusquiza. — 2:a. - 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 , omtryckt med korrigeringar, Cambridge University Press, London, sidan 224.
  28. ↑ Partington, JR (1949). An Advanced Treatise on Physical Chemistry , volym 1, Grundläggande principer. The Properties of Gases , Longmans, Green and Co., London, sid 220.
  29. ↑ Wilks, J. (1971). The Third Law of Thermodynamics, kapitel 6 i Thermodynamics , volym 1, red. W. Jost, av H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Physical Chemistry. An Advanced Treatise , Academic Press, New York, sid 477.
  30. ↑ Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics , American Institute of Physics, New York, ISBN 0-88318-797-3 , sida 342.
  31. ↑ Jauch, JM, Rohrlich, F. (1955/1980). Teorin om fotoner och elektroner. The Relativistic Quantum Field Theory of Charged Particles with Spin One-half , andra utökade upplagan, Springer-Verlag, New York, ISBN 0-387-07295-0 , sidorna 287-288.
  32. ↑ Milonni, PW (1994). Kvantvakuumet. An Introduction to Quantum Electrodynamics , Academic Press, Inc., Boston, ISBN 0-12-498080-5 , sida xv.
  33. ↑ Milonni, PW (1994). Kvantvakuumet. An Introduction to Quantum Electrodynamics , Academic Press, Inc., Boston, ISBN 0-12-498080-5 , sida 239.
  34. ↑ Schwinger, J.; DeRaad, LL; Milton, K.A. (1978). "Casimir-effekt i dielektrikum". Fysikens annaler . 115 (1):1-23. Bibcode : 1978AnPhy.115....1S . DOI : 10.1016/0003-4916(78)90172-0 .
  35. ↑ Milonni, PW (1994). Kvantvakuumet. An Introduction to Quantum Electrodynamics , Academic Press, Inc., Boston, ISBN 0-12-498080-5 , sida 418.
  36. ↑ Jaffe, R. L. (2005). Casimir-effekten och kvantvakuumet, Phys. Varv. D 72 : 021301(R), http://1–5.cua.mit.edu/8.422_s07/jaffe2005_casimir.pdf  (inte tillgänglig länk)

Ytterligare läsning

Länkar