Tyhjiöenergia

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 28. huhtikuuta 2022 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 7 muokkausta .

Tyhjiöenergia on kaikkien tyhjiössä olevien kvantisoitujen kenttien alhaisimpien energiatilojen  energioiden summa . [1] [2] Tyhjiöenergia on avaruudessa homogeeninen ja ajallisesti vakio. Sen tiheys on maailmanvakio [3] [4] [5] .

Tyhjiöenergian olemassaolon seurauksia voidaan havaita kokeellisesti erilaisissa ilmiöissä, kuten spontaani emissio , Casimir-ilmiö ja Lamb-siirtymä . Sen uskotaan myös vaikuttavan maailmankaikkeuden käyttäytymiseen kosmologisissa mittakaavassa .

Tähtitieteelliset tiedot kosmologisen vakion maksimiarvosta osoittavat, että tyhjiön energiatiheys ei ylitä 10 −28 g/(cm 3 ) tai 10 −9 joulea 10 −2 erg ) eli ~5 GeV kuutiometriä kohti. [6] [7]

Kuitenkin kvanttielektrodynamiikassa oletetaan Lorentzin invarianssin periaatteen ja Planckin vakion arvon mukaisesti paljon suurempi arvo 2*10 15 g/(cm 3 ). [8] Tämä valtava ero tunnetaan kosmologisena vakioongelmana .

Alkuperä

Kvanttikenttäteoria väittää, että kaikki peruskentät , kuten sähkömagneettinen kenttä , on kvantisoitava jokaisessa avaruuden pisteessä. Fysiikan kenttää voidaan ajatella ikään kuin avaruus olisi täynnä toisiinsa liittyviä värähteleviä palloja ja jousia, ja kentän voimakkuus on kuin pallon siirtyminen lepoasennostaan. [9] Teoria edellyttää tällaisten "heilahtelujen" läsnäoloa, tai tarkemmin sanottuna sellaisia ​​kentänvoimakkuuden muutoksia, jotka etenevät tarkasteltavana olevan kentän aaltoyhtälön mukaisesti. Kvanttikenttäteorian toinen kvantisointimenetelmä edellyttää, että jokaisen tällaisen pallon ja jousen yhdistelmän matemaattinen kuvaus kvantisoidaan, eli kentänvoimakkuus kvantisoidaan jokaisessa avaruuden pisteessä. Kenttäviritykset vastaavat alkuainehiukkasten läsnäoloa . Siten teorian mukaan tyhjiöllä on äärimmäisen monimutkainen rakenne, ja kaikki kvanttikenttäteorian laskelmat on suoritettava suhteessa tähän tyhjiömalliin.

Teorian mukaan tyhjöllä on implisiittisesti samat ominaisuudet kuin hiukkasella, kuten spin tai polarisaatio valon , energian ja niin edelleen tapauksessa . Teorian mukaan suurin osa näistä ominaisuuksista kumoutuu keskimäärin, jolloin tyhjiö jää tyhjäksi sanan kirjaimellisessa merkityksessä. [2] Eräs tärkeä poikkeus on kuitenkin tyhjiöenergia tai energian tyhjiöodotusarvo . Yksinkertaisen harmonisen oskillaattorin kvantisointi vaatii sellaiselta oskillaattorilta pienimmän mahdollisen energian eli nollaenergian , joka on

Kaikkien mahdollisten oskillaattorien summaus kaikissa avaruuden pisteissä antaa äärettömän arvon. Tämän äärettömyyden poistamiseksi voidaan väittää, että vain energiaerot ovat fysikaalisesti mitattavissa, samoin kuin potentiaalienergian käsitettä on käsitelty klassisessa mekaniikassa vuosisatojen ajan. Tämä argumentti on renormalisointiteorian ytimessä . Kaikissa käytännön laskelmissa äärettömyyttä käsitellään näin.

Tyhjiöenergiaa voidaan ajatella myös virtuaalipartikkeleina (tunnetaan myös nimellä tyhjiön vaihtelut ), jotka syntyvät ja tuhoutuvat tyhjiöstä. Nämä hiukkaset syntyvät aina hiukkas- antihiukkas-pareina , jotka useimmissa tapauksissa pian tuhoavat toisensa ja katoavat. Nämä hiukkaset ja antihiukkaset voivat kuitenkin olla vuorovaikutuksessa muiden kanssa ennen kuin ne katoavat. Nämä prosessit voidaan näyttää käyttämällä Feynman - kaavioita . Huomaa, että tämä tyhjiöenergian laskentamenetelmä vastaa matemaattisesti kvanttiharmonisen oskillaattorin käyttöä joka pisteessä, ja siksi se kohtaa samat uudelleennormalisointiongelmat.

Lisäpanos tyhjiöenergiaan tulee kvanttikenttäteorian spontaanista symmetrian rikkoutumisesta .

Seuraukset

Tyhjiöenergialla on useita havaittavia seurauksia. Vuonna 1948 hollantilaiset fyysikot H. Casimir ja D. Polder ennustivat pienen vetovoiman olemassaolon lähekkäin olevien metallilevyjen välillä niiden välisessä tilassa olevan tyhjiöenergian resonanssin vuoksi. Tämä ilmiö tunnetaan nimellä Casimir-ilmiö, ja se on sittemmin tarkistettu huolellisesti kokeellisesti. Siksi tyhjiöenergian sanotaan olevan "todellista" samassa mielessä kuin tutummat käsitteelliset esineet, kuten elektronit, magneettikentät jne., ovat todellisia. Sittemmin Casimir-ilmiölle on kuitenkin ehdotettu vaihtoehtoisia selityksiä. [kymmenen]

Muita ennusteita on vaikeampi varmistaa. Tyhjiövaihtelut syntyvät aina hiukkas-antihiukkas-parien muodossa. Näiden virtuaalisten hiukkasten luominen lähellä tapahtumahorisonttia, fyysikko Stephen Hawking oletti mustan aukon mekanismina mustien aukkojen mahdolliselle "haihduttamiselle" . [11] Jos toinen parista vedetään mustaan ​​aukkoon ennen tätä, niin toisesta hiukkasesta tulee "todellista" ja energia/massa säteilee oleellisesti avaruuteen mustasta aukosta. Tämä menetys on kumulatiivista ja saattaa lopulta aiheuttaa mustan aukon katoamisen. Tarvittava aika riippuu mustan aukon massasta (yhtälöt osoittavat, että mitä pienempi musta aukko, sitä nopeammin se haihtuu), mutta voi olla luokkaa 10 100 vuotta suurten aurinkomassaisten mustien aukkojen kohdalla. [yksitoista]

Tyhjiöenergialla on myös tärkeitä vaikutuksia fyysiseen kosmologiaan. Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa, että energia on yhtä suuri kuin massa, ja siksi, jos tyhjiöenergiaa "todella on olemassa", sen on käytettävä gravitaatiovoimaa . Sellaisenaan nollasta poikkeavan tyhjiöenergian odotetaan myötävaikuttavan kosmologiseen vakioon , joka vaikuttaa universumin laajenemiseen . [6] [12]

Historia

Vuonna 1934 Georges Lemaitre käytti epätavallisen ihanteellisen kaasun tilayhtälöä tulkitakseen kosmologisen vakion johtuvan tyhjiöenergiasta. Vuonna 1948 Casimir-ilmiö tarjosi kokeellisen menetelmän tyhjiöenergian olemassaolon testaamiseen; Vuonna 1955 Jevgeni Lifshitz ehdotti Casimir-ilmiön toista alkuperää. Vuonna 1957 Li ja Yang osoittivat rikkoutuneen symmetrian ja pariteetin rikkomisen käsitteet , joista he saivat Nobel-palkinnon. Vuonna 1973 E. Tryon ehdotti nollaenergiauniversumin hypoteesia : Universumi voisi olla laajamittainen kvanttimekaaninen tyhjiövaihtelu, jossa positiivista massaenergiaa tasapainottaa negatiivinen gravitaatiopotentiaalienergia . 1980-luvulla tehtiin monia yrityksiä yhdistää tyhjiöenergiaa tuottavat kentät tiettyihin kenttiin, jotka ennustettiin Grand Unified Theories -yrityksissä, ja käyttää universumin havaintoja tukemaan jompaakumpaa versiota. Kuitenkin niiden hiukkasten (tai kentän) tarkka luonne, jotka tuottavat tyhjöenergiaa, jonka tiheys on samanlainen kuin inflaatioteorian vaatima, on edelleen mysteeri.

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Penrose R. Muoti, usko, fantasia ja maailmankaikkeuden uusi fysiikka. - Pietari, Pietari, 2020. - s. 319
  2. ↑ 1 2 Fysikaalinen tyhjiö // Mikromaailman fysiikka. - M., Soviet Encyclopedia , 1980. - s. 131
  3. ↑ Stern B. , Rubakov V. Astrophysics. Kolminaisuuden vaihtoehto. - M., AST, 2020. - s. 44
  4. ↑ Battersby ,  Stephen _ _ _  . Uusi Tiedemies . Käyttöönottopäivä: 18.6.2020.
  5. ↑ Scientific American. 1997. SEURANTA: Mikä on "nollapisteen energia" (tai "tyhjiöenergia") kvanttifysiikassa? Onko todella mahdollista, että voimme valjastaa tämän energian? — Scientific American. [ONLINE] Saatavilla osoitteessa: http://www.scientificamerican.com/article/follow-up-what-is-the-zer/ . [Käytetty 27. syyskuuta 2016].
  6. ↑ 1 2 Zeldovich Ya. B. , Khlopov M. Yu. Draama ideoista luonnon tuntemisessa. - M., Nauka, 1988. - s. 177
  7. ↑ Sean Carroll, Sr Research Associate - Physics, California Institute of Technology , 22. kesäkuuta 2006 C-SPAN- lähetys kosmologiasta vuotuisessa Kos Science Panelissa, osa 1
  8. ↑ Feynman R. , Hibs A. Kvanttimekaniikka ja polkuintegraalit. - M., Mir, 1968. - s. 267
  9. ↑ Henley E., Thirring W. Alkeinen kvanttikenttäteoria. - M., IL, 1963. - s. kaksikymmentä
  10. ↑ RL Jaffe: Casimir Effect and the Quantum Vacuum . Julkaisussa: Physical Review D. Bändi 72, 2005 [1]
  11. ↑ 1 2 sivua, Don N. (1976). "Mustasta aukosta peräisin olevien hiukkasten päästömäärät: massattomat hiukkaset varauksettomasta, pyörimättömästä reiästä". Fyysinen arvostelu D. 13 (2): 198-206. Bibcode : 1976PhRvD..13..198P . DOI : 10.1103/PhysRevD.13.198 .
  12. ↑ Dolgov A. D. "Kosmologia: Pomeranchukista nykypäivään" UFN 184 211-221 (2014)

Ulkoiset artikkelit ja linkit