Kvanttikenttäteorian tyhjiö

Kvanttikenttäteorian tyhjiö  - (myös kvanttityhjiö tai tyhjiötila ) onpienin mahdollinen energia omaava kvanttitila . Yleensä se ei sisällä fyysisiä hiukkasia. "Nollakenttää" käytetään joskus synonyyminä yksittäisen kvantisoidun kentän tyhjiötilalle.

Nykyajan tyhjiötilaksi tai kvanttityhjiöksi kutsutun käsityksen mukaan se "ei suinkaan ole yksinkertainen tyhjä tila ". [1] [2] Kvanttikenttäteorian mukaan fyysinen tyhjiö ei itse asiassa ole tyhjää tilaa, vaan se sisältää ilmaantuvia, vuorovaikutuksessa olevia ja katoavia virtuaalisia sähkömagneettisia aaltoja ja hiukkasia . [3] [4] [5] [6] Virtuaaliset prosessit tyhjiössä ilmenevät useissa havaituissa vaikutuksissa todellisten alkuainehiukkasten vuorovaikutuksessa tyhjiön kanssa, [7] eräänlaisena fyysisenä "väliaineena", jossa ne liikkuvat. . [kahdeksan]

Ensimmäinen kvanttikenttäteorian tyhjiö , jonka teoria kehitettiin 1930-luvulla ja muotoiltiin uudelleen 1940-luvun lopulla ja 1950-luvun alussa Feynman , Tomonaga ja Schwingerin toimesta , jotka saivat yhdessä Nobel-palkinnon tästä työstä vuonna 1965, oli QED- tyhjiökvanttielektrodynamiikka . [9]

Tällä hetkellä sähkömagneettinen voima ja heikko voima yhdistetään (vain erittäin suurilla energioilla) sähköheikon voiman teoriassa .

Standardimalli on QED:n yleistys, joka sisältää kaikki tunnetut alkuainehiukkaset ja niiden vuorovaikutukset (paitsi painovoima). Kvanttikromodynamiikka (tai QCD) on osa standardimallia, joka käsittelee vahvaa voimaa ja QCD :n tyhjiö on kvanttikromodynamiikan tyhjiö. Sitä tutkitaan Large Hadron Collider ja Relativist Heavy Ion Collider , ja sen ominaisuudet liittyvät ns. vahvojen vuorovaikutusten tyhjiörakenteeseen . [kymmenen]

Nollasta poikkeava odotusarvo

Jos kvanttikenttäteoria voidaan kuvata tarkasti häiriöteorian avulla , niin tyhjön ominaisuudet ovat analogiset kvanttimekaanisen harmonisen oskillaattorin perustilan , tai tarkemmin mitattuna , perustilan kanssa . Tässä tapauksessa minkä tahansa kenttäoperaattorin odotettu tyhjiöarvo (VEV) katoaa. Kvanttikenttäteorioissa, joissa häiriöteoria hajoaa alhaisilla energioilla (esim. kvanttikromodynamiikka tai suprajohtavuuden BCS-teoria ), kenttäoperaattoreilla voi olla katoamaton odotettu tyhjiöarvo , jota kutsutaan kondensaatiksi . Standardimallin teoriassa Higgsin kentän nollasta poikkeava odotettu tyhjiö spontaanin symmetrian rikkoutumisesta on mekanismi, jolla muut kentät hankkivat massaa.

Energia

Tyhjiötila liittyy nollaenergiaan , (vastaa tilaan, jossa on mahdollisimman pieni energia), mikä ilmenee fysikaalisesti mitattavissa olevina vaikutuksina. Yksi näistä vaikutuksista, Casimir-ilmiö , voidaan havaita laboratoriossa. Fysikaalisessa kosmologiassa kosmologisen tyhjiön energia esitetään kosmologisena vakiona . Itse asiassa kuutiosenttimetrin tyhjän tilan energia on kuvaannollisesti laskettu yhdeksi biljoonaksi ergiksi (tai 0,6 eV). [11] Perusvaatimus minkä tahansa potentiaalisen kaiken teorialle on, että kvanttityhjiötilan energian täytyy selittää fysikaalisesti havaittava kosmologinen vakio.

Symmetria

Relativistisessa kenttäteoriassa tyhjiö on invariantti Poincarén muunnoksissa , mikä seuraa Whitemanin aksioomeista , mutta voidaan myös todistaa suoraan ilman näitä aksioomia. [12]

Poincarén invarianssi tarkoittaa, että vain kenttäoperaattoreiden skalaariyhdistelmillä on katoamattomat WHO:t . WHO voi rikkoa joitain Lagrangin kenttäteorian sisäisiä symmetrioita . Tässä tapauksessa tyhjiöllä on vähemmän symmetriaa kuin teoria sallii, ja voidaan sanoa, että spontaani symmetrian murtuminen on tapahtunut . Katso Higgs-mekanismi , Vakiomalli .

Epälineaarinen permittiivisyys

Maxwellin yhtälöiden kvanttikorjausten odotetaan johtavan pieneen epälineaariseen sähköpolarisaatiotermiin tyhjiössä, jolloin kentän sähköinen permittiivisyys poikkeaa nimellistyhjiön permittiivisyydestä . [13] Näitä teoreettisia kehityskulkuja kuvataan esimerkiksi Dietrichin ja Giesin teoksissa. [6]

Kvanttielektrodynamiikan teoria ennustaa, että QED-tyhjiössä tulisi olla lievä epälineaarisuus , joten erittäin vahvan sähkökentän läsnäollessa permittiivisyys kasvaa pienellä määrällä suhteessa . Lisäksi, ja mikä olisi helpompi havaita (mutta silti erittäin vaikeaa!), on se, että voimakas sähkökenttä muuttaa vapaan tilan tehollista läpäisevyyttä ja muuttuu anisotrooppiseksi , jonka arvo on hieman pienempi sähkökentän suunnassa ja hieman suurempi kohtisuoraan suuntaan, mikä siten osoittaa kahtaistaitetta sähkömagneettiselle aallolle, joka kulkee eri suunnassa kuin sähkökenttä. Vaikutus on samanlainen kuin Kerr-ilmiö , mutta ilman aineen läsnäoloa. [neljätoista]

Tämä pieni epälineaarisuus voidaan tulkita elektroni-positroniparien virtuaalisena tuotona [15] .

Tarvittavan sähkökentän ennustetaan olevan valtava, noin V/m, joka tunnetaan nimellä Schwinger-raja ; Vastaavan Kerr-vakion arvioitiin olevan noin 1020 kertaa pienempi kuin veden Kerr-vakio. On myös ehdotettu selityksiä dikroismille hiukkasfysiikasta kvanttielektrodynamiikan ulkopuolella. [16] Tällaista vaikutusta on erittäin vaikea mitata kokeellisesti, [17] eikä se ole vielä onnistunut.

Virtuaalihiukkaset

Virtuaalisten hiukkasten läsnäolo voi perustua tiukasti kvantisoitujen sähkömagneettisten kenttien ei- kommutatiivisuuden ominaisuuteen . Ei-kommutatiivisuus tarkoittaa, että vaikka kenttien keskiarvot katoavat kvanttityhjiössä, niiden poikkeamat eivät katoa. [18] Termi " tyhjiön vaihtelu " viittaa kentänvoimakkuuden hajoamiseen minimienergian tilassa, [19] ja sitä kuvataan visuaalisesti "virtuaalisten hiukkasten" avulla. [kaksikymmentä]

Joskus yritetään antaa intuitiivinen kuva virtuaalisista hiukkasista tai heilahteluista Heisenbergin energian ja ajan epävarmuusperiaatteen perusteella :

(tässä tapauksessa ja ovat energian ja ajan muutoksia, vastaavasti;  on energiamittauksen tarkkuus ja mittaukseen  käytetty aika, ja  on pelkistetty Planckin vakio ), väittäen, että virtuaalihiukkasten lyhyt käyttöikä mahdollistaa "lainaa" suuria energioita tyhjiöstä ja mahdollistaa näin hiukkasten syntymisen lyhyessä ajassa. [21] Vaikka virtuaalihiukkasten käsite on yleisesti hyväksytty, tämä tulkinta energian ja ajan epävarmuussuhteesta ei ole yleisesti hyväksytty. [22] [23]

Yksi ongelma on mittausten tarkkuutta rajoittavan epävarmuussuhteen käyttö, ikään kuin ajan epävarmuus saneleisi "budjetin" energian lainaamiseen . Toinen kysymys on "ajan" merkitys tässä suhteessa, koska energia ja aika (toisin kuin esim. koordinaatit q ja liikemäärä p ) eivät täytä kanonista kommutaatiosuhdetta (esim . ). [24]

Erilaisia ​​skeemoja on kehitetty sellaisen havaittavan rakentamiseksi, jolla on jonkinlainen ajallinen tulkinta ja joka kuitenkin täyttää kanonisen kommutaatiosuhteen energiaan. [25] [26] Tämän ongelman yhteydessä käsitellään monia erilaisia ​​lähestymistapoja energian ja ajan epävarmuuden periaatteeseen [26]

Kvanttityhjiön fyysinen luonne

Astrid Lambrechtin (2002) mukaan: "Kun ihminen vapauttaa tilaa kaikesta aineesta ja laskee lämpötilan absoluuttiseen nollaan, hän luo ajatuskokeessa kvanttityhjiön tilan." [yksi]

Fowlerin ja Guggenheimin (1939/1965) mukaan termodynamiikan kolmas pääsääntö voidaan ilmaista täsmälleen seuraavasti:

Mikään proseduuri, vaikka se olisi kuinka idealisoitu, ei voi pienentää mitään fyysistä järjestelmää absoluuttiseen nollaan äärellisessä määrässä operaatioita. [27] (Katso myös [28] [29] [30] .)

Fotoni-fotoni-vuorovaikutus voi tapahtua vain johtuen vuorovaikutuksesta jonkin muun kentän tyhjiötilan kanssa, esimerkiksi Diracin elektroni-positroni-tyhjiökentän kautta; tämä liittyy tyhjiöpolarisaation käsitteeseen . [31] Milonni (1994) mukaan : "… kaikilla kvanttikentillä on nollapisteen energiat ja tyhjiön vaihtelut." [32]

Tämä tarkoittaa, että jokaisella kentällä (jota pidetään muiden kenttien käsitteellisen puuttumisena), kuten sähkömagneettinen kenttä, Diracin elektroni-positronikenttä ja niin edelleen, on vastaavanlainen kvanttityhjiö. Milonnin (1994) mukaan joillakin sähkömagneettisen kentän tyhjiöstä johtuvilla vaikutuksilla voi olla useita fyysisiä tulkintoja, joista jotkut ovat yleisemmin hyväksyttyjä kuin toiset. Casimir-vetovoima varautumattomien johtavien levyjen välillä tarjotaan usein esimerkkinä tyhjiösähkömagneettisen kentän vaikutuksesta. Milonni (1994) mainitsee Schwingerin, DeRaadin ja Miltonin (1978) pätevinä, vaikkakin epätavanomaisina selityksinä Casimir-ilmiöstä mallilla, jossa "tyhjiötä käsitellään todellisena tilana, jonka kaikki fysikaaliset ominaisuudet ovat nolla". [33] [34]

Tässä mallissa havaitut ilmiöt selitetään elektronien liikkeen vaikutuksena sähkömagneettiseen kenttään, jota kutsutaan lähdekenttävaikutukseksi. Milonni kirjoittaa:

Pääajatuksena tässä olisi, että Casimir-voima voidaan johtaa vain alkuperäisistä kentistä jopa täysin tavallisessa QED:ssä… Milonni perustelee yksityiskohtaisesti, että tyhjiön sähkömagneettisen kentän yleisesti katsottavia mitattavissa olevia fyysisiä vaikutuksia ei voida selittää pelkästään tällä kentällä, mutta vaativat lisäksi elektronien omaenergian tai niiden säteilyreaktion osallistumisen. Hän kirjoittaa: "Säteilyn reaktio ja

Tyhjiökentät ovat saman asian kaksi aspektia, kun kyse on eri QED-prosessien fyysisistä tulkinnoista, mukaan lukien Lamb-siirtymä , van der Waalsin voimat ja Casimir-efektit." [35]

Tämän näkemyksen ilmaisee myös Jeff (2005): "Casimirin voima voidaan laskea ottamatta huomioon tyhjiön vaihteluita, ja kuten kaikki muutkin QED:ssä havaittavat vaikutukset, se katoaa hienon rakennevakion nollassa." [36]

Merkintä

Tyhjiötila kirjoitetaan muodossa tai . Minkä tahansa kentän tyhjiön odotusarvo (katso myös Odotettu mittausarvo (kvanttimekaniikka) ) tulee kirjoittaa muodossa .

Katso myös

Linkkejä ja muistiinpanoja

  1. ↑ 1 2 Astrid Lambrecht. Mekaanisen hajoamisen havainnointi kvanttityhjiössä: kokeellinen haaste; in Laserfysiikka rajoissa  / Hartmut Figger ; Dieter Meschede; Claus Zimmermann. - Berliini/New York: Springer, 2002. - S. 197. - ISBN 978-3-540-42418-5 . Arkistoitu 10. heinäkuuta 2021 Wayback Machinessa
  2. ↑ Christopher Ray. Aika, tila ja filosofia . — London/New York: Routledge, 1991. — P. Luku 10, s. 205. - ISBN 978-0-415-03221-6 . Arkistoitu 10. heinäkuuta 2021 Wayback Machinessa
  3. ↑ A.P. Martynenko Tyhjiö modernissa kvanttiteoriassa Arkistokopio päivätty 26. marraskuuta 2019 Wayback Machinessa // Soros Educational Journal , Volume 7, No. 5, 2001
  4. ↑ AIP Physics News Update, 1996 (downlink) . Haettu 10. heinäkuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 29. tammikuuta 2008. 
  5. ↑ Fyysisen tarkastelun painopiste 12. 1998 . Haettu 10. heinäkuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 27. syyskuuta 2011.
  6. ↑ 1 2 Walter Dittrich. Kvanttityhjiön tutkiminen: häiritsevä tehokkaan toiminnan lähestymistapa  / Walter Dittrich, Gies H. - Berlin : Springer, 2000. - ISBN 978-3-540-67428-3 .
  7. ↑ Fyysinen tyhjiö // Fyysinen tietosanakirja . - M. , Great Russian Encyclopedia , 1995. - s. 61
  8. ↑ Bogolyubov N. N. , Shirkov D. V. Johdatus kvantisoitujen kenttien teoriaan. - M. , Nauka , 1957. - s. 139
  9. ↑ Historiallista keskustelua varten katso esim. Quantum electrodynamics (QED) // Historical Encyclopedia of Natural and Mathematical Sciences / Ari Ben-Mena?em. – 5. - Springer, 2009. - Vol. 1. - P. 4892ff . - ISBN 978-3-540-68831-0 . Katso yksityiskohtia Nobel-palkinnosta ja näiden kirjoittajien Nobel-luennoista, katso The Nobel Prize in Physics 1965 . nobelprize.org. Käyttöpäivä: 6. helmikuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 7. huhtikuuta 2018.
  10. ↑ Jean Letessier. Hadronit ja Quark-Gluon Plasma  / Jean Letessier, Johann Rafelski. - Cambridge University Press, 2002. - P. 37 ff . — ISBN 978-0-521-38536-7 . Arkistoitu 10. heinäkuuta 2021 Wayback Machinessa
  11. ↑ Sean Carroll, Sr Research Associate - Physics, California Institute of Technology , 22. kesäkuuta 2006 C-SPAN- lähetys kosmologiasta vuotuisessa Kos Science Panelissa, osa 1
  12. ↑ Bednorz, Adam (marraskuu 2013). "Tyhjiön relativistinen invarianssi". 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), Nonlinear Electrodynamics and QED, arΧiv : hep-th/0610088 . 
  14. ↑ Mourou, GA, T. Tajima ja SV Bulanov, Optiikka relativistisessa järjestelmässä ; § XI Epälineaarinen QED , Reviews of Modern Physics voi. 78 (nro 2), 309-371 (2006) pdf-tiedosto .
  15. ↑ Klein, James J. ja BP Nigam, Biefringence of the vacuum , Physical Review voi. 135 , s. B1279-B1280 (1964).
  16. ↑ Holger Gies; Joerg Jaeckel; Andreas Ringwald (2006). "Polarisoitunut valo, joka etenee magneettikentässä milteivarautuneiden fermionien koettimena." Physical Review Letters . 97 (14): 140402. arXiv : hep-ph/0607118 . Bibcode : 2006PhRvL..97n0402G . DOI : 10.1103/PhysRevLett.97.140402 . PMID  17155223 . S2CID  43654455 . Rivinvaihtomerkki |title=paikassa #63 ( ohje )
  17. ↑ Davis; Joseph Harris; Gammon; Smolyaninov & Kyuman Cho (2007), kokeelliset haasteet, jotka liittyvät aksionin kaltaisten hiukkasten ja epälineaaristen kvanttielektrodynaamisten vaikutusten etsimiseen herkillä optisilla tekniikoilla, arΧiv : 0704.0748 [hep-th]. 
  18. ↑ Myron Wyn Evans . Moderni epälineaarinen optiikka, osa 85, osa 3  / Myron Wyn Evans, Stanislaw Kielich. - John Wiley & Sons, 1994. - S. 462. - "Kaikkien kenttätilojen kohdalla, joilla on klassinen vastine, kvadratuurikentän poikkeamat ovat myös suurempia tai yhtä suuria kuin tämä kommutaattori...". - ISBN 978-0-471-57548-1 . Arkistoitu 10. heinäkuuta 2021 Wayback Machinessa
  19. ↑ David Nikolaevich Klyshko. Fotonit ja epälineaarinen optiikka . - Taylor & Francis, 1988. - s. 126. - ISBN 978-2-88124-669-2 . Arkistoitu 10. heinäkuuta 2021 Wayback Machinessa
  20. ↑ Milton K. Munitz. Kosminen ymmärrys: Universumin filosofia ja tiede . - Princeton University Press, 1990. - S. 132. - "Spontaania, tilapäistä hiukkasten ilmaantumista tyhjiöstä kutsutaan "tyhjiön vaihteluksi". - ISBN 978-0-691-02059-4 . Arkistoitu 10. heinäkuuta 2021 Wayback Machinessa
  21. ↑ Katso esimerkiksi PCW Davies. [ Satunnainen universumi . - Cambridge University Press, 1982. - s  . 106 . - ISBN 978-0-521-28692-3 .
  22. ↑ Jos haluat yksinkertaisemman kuvauksen, katso Jonathan Allday. Kvarkit, leptonit ja alkuräjähdys . – 2. - CRC Press, 2002. - S. 224 ff . — Vuorovaikutus kestää tietyn ajan ?t . Tämä tarkoittaa, että vuorovaikutukseen osallistuvan kokonaisenergian amplitudi on hajallaan energia-alueelle ?E .". — ISBN 978-0-7503-0806-9 . Arkistoitu 10. heinäkuuta 2021 Wayback Machinessa
  23. ↑ Tämä ajatus "lainaamisesta" on johtanut ehdotuksiin käyttää nollapisteen tyhjiöenergiaa äärettömänä säiliönä ja monia näkökulmia tähän tulkintaan. Katso esimerkiksi Moray B. King. Nollapisteenergian etsintä: "ilmaisen energian" keksintöjen suunnitteluperiaatteet . - Adventures Unlimited Press, 2001. - S. 124 ff . - ISBN 978-0-932813-94-7 . Arkistoitu 10. heinäkuuta 2021 Wayback Machinessa
  24. ↑ Kanonisen kommutointisäännön täyttäviä määriä pidetään epäjohdonmukaisina havaittavina, mikä tarkoittaa, että niitä voidaan mitata samanaikaisesti vain rajoitetulla tarkkuudella. Katso Kiyoshi Ito. § 351 (XX.23) C: Kanoniset kommutaatiosuhteet // Ensyklopedinen matematiikan sanakirja. – 2. - MIT Press, 1993. - P. 1303. - ISBN 978-0-262-59020-4 .
  25. ↑ Paul Busch . §III.4: Energia ja aika // Operatiivinen kvanttifysiikka  / Paul Busch, Marian Grabowski, Pekka J. Lahti. - Springer, 1995. -  P. 77ff . — ISBN 978-3-540-59358-4 .
  26. ↑ 1 2 Katso Paul Buschin arvostelu . Luku 3: Ajan ja energian epävarmuussuhde // Aika kvanttimekaniikassa / JG Muga ; R. Sala Mayato; IL Egusquiza. – 2. - Springer, 2008. - Voi. 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). Tilastollinen termodynamiikka. Tilastomekaniikan versio fysiikan ja kemian opiskelijoille , uusintapainos korjauksin, Cambridge University Press, Lontoo, sivu 224.
  28. ↑ Partington, JR (1949). An Advanced Treatise on Physical Chemistry , osa 1, Fundamental Principles. The Properties of Gases , Longmans, Green and Co., Lontoo, sivu 220.
  29. ↑ Wilks, J. (1971). The Third Law of Thermodynamics, luku 6 julkaisussa Thermodynamics , osa 1, toim. W. Jost, H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Physical Chemistry. An Advanced Treatise , Academic Press, New York, sivu 477.
  30. ↑ Bailyn, M. (1994). A Survey of Thermodynamics , American Institute of Physics, New York, ISBN 0-88318-797-3 , sivu 342.
  31. ↑ Jauch, JM, Rohrlich, F. (1955/1980). Fotonien ja elektronien teoria. The Relativist Quantum Field Theory of Charged Particles with Spin One half , toinen laajennettu painos, Springer-Verlag, New York, ISBN 0-387-07295-0 , sivut 287-288.
  32. ↑ Milonni, PW (1994). Kvanttityhjiö. An Introduction to Quantum Electrodynamics , Academic Press, Inc., Boston, ISBN 0-12-498080-5 , sivu xv.
  33. ↑ Milonni, PW (1994). Kvanttityhjiö. An Introduction to Quantum Electrodynamics , Academic Press, Inc., Boston, ISBN 0-12-498080-5 , sivu 239.
  34. ↑ Schwinger, J.; DeRaad, LL; Milton, K.A. (1978). "Kasimir-ilmiö dielektrissä". Annals of Physics . 115 (1):1-23. Bibcode : 1978AnPhy.115....1S . DOI : 10.1016/0003-4916(78)90172-0 .
  35. ↑ Milonni, PW (1994). Kvanttityhjiö. An Introduction to Quantum Electrodynamics , Academic Press, Inc., Boston, ISBN 0-12-498080-5 , sivu 418.
  36. ↑ Jaffe, R. L. (2005). Casimir-ilmiö ja kvanttityhjiö, Phys. Rev. D 72 : 021301(R), http://1–5.cua.mit.edu/8.422_s07/jaffe2005_casimir.pdf  (linkki ei saatavilla)

Lue lisää

Linkit