Теория сверхтекучего вакуума

Теория сверхтекучего вакуума ( SVT ), иногда известная как теория вакуума БЭК , представляет собой подход в теоретической физике и квантовой механике , где фундаментальный физический вакуум (неустранимый фон) рассматривается как сверхтекучая жидкость или как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК). .

Микроскопическая структура этого физического вакуума в настоящее время неизвестна и является предметом интенсивных исследований в СВТ. Конечная цель этого исследования — разработать научные модели , которые объединяют квантовую механику (которая описывает три из четырех известных фундаментальных взаимодействий ) с гравитацией , что делает SVT кандидатом на роль теории квантовой гравитации и описывает все известные взаимодействия во Вселенной как на микроскопические и астрономические масштабы, как разные проявления одного и того же существа — сверхтекучего вакуума.

История

Концепция светоносного эфира как среды, поддерживающей электромагнитные волны, была отвергнута после появления специальной теории относительности , поскольку наличие этой концепции наряду со специальной теорией относительности приводит к нескольким противоречиям; в частности, эфир, имеющий определенную скорость в каждой точке пространства-времени, будет демонстрировать предпочтительное направление. Это противоречит релятивистскому требованию, согласно которому все направления внутри светового конуса эквивалентны.Однако еще в 1951 году П.А.М. Дирак опубликовал две статьи, в которых указывал на необходимость учитывать квантовые флуктуации в потоке эфира. Его аргументы включают применение принципа неопределенности к скорости эфира в любой точке пространства-времени, подразумевая, что скорость не будет четко определенной величиной. Фактически, оно будет распределено по различным возможным значениям. В лучшем случае эфир можно было бы представить волновой функцией, представляющей состояние идеального вакуума , для которого все скорости эфира равновероятны.

Вдохновленные идеями Дирака, К. П. Синха, К. Сиварам и ЭКГ Сударшан опубликовали в 1975 году серию статей, в которых была предложена новая модель эфира, согласно которой он представляет собой сверхтекучее состояние пар фермионов и антифермионов, описываемое макроскопической волной. функция . Они отметили, что небольшие колебания сверхтекучего фона, подобные частицам, подчиняются симметрии Лоренца , даже если сама сверхтекучая жидкость нерелятивистская.Тем не менее, они решили рассматривать сверхтекучесть как релятивистскую материю – поместив ее в тензор энергии-импульса уравнений поля Эйнштейна .Это не позволило им описать релятивистскую гравитацию как малую флуктуацию сверхтекучего вакуума, как отмечали последующие авторы. .

С тех пор в рамках SVT было предложено несколько теорий. Они различаются тем, как должна выглядеть структура и свойства фоновой сверхтекучей жидкости .В отсутствие наблюдательных данных, которые могли бы исключить некоторые из них, эти теории разрабатываются независимо.

Связь с другими концепциями и теориями

Симметрии Лоренца и Галилея.

Согласно этому подходу, фоновая сверхтекучая жидкость считается по существу нерелятивистской, тогда как симметрия Лоренца не является точной симметрией Природы, а скорее приближенным описанием, справедливым только для небольших флуктуаций.Наблюдатель, который находится внутри такого вакуума и способен создавать или измерять небольшие флуктуации, будет наблюдать их как релятивистские объекты – если только их энергия и импульс не достаточно велики, чтобы сделать возможным обнаружение поправок , разрушающих Лоренц . Если энергии и импульсы ниже порога возбуждения, то сверхтекучий фон ведет себя как идеальная жидкость , поэтому в экспериментах типа Майкельсона-Морли не будет обнаружено никакой силы сопротивления со стороны такого эфира.

Далее, в теории относительности галилеева симметрия (относящаяся к нашему макроскопическому нерелятивистскому миру) возникает как приближенная – когда скорости частиц малы по сравнению со скоростью света в вакууме.В SVT не нужно проходить через симметрию Лоренца, чтобы получить симметрию Галилея - известно, что дисперсионные соотношения большинства нерелятивистских сверхтекучих жидкостей подчиняются нерелятивистскому поведению при больших импульсах.

Подводя итог, можно сказать, что флуктуации вакуумной сверхтекучей жидкости ведут себя как релятивистские объекты при «малых» импульс (он же « фононный предел »)

$E^{2}\propto |{\vec {p}}|^{2}$

и как нерелятивистские

$E\propto |{\vec {p}}|^{2}$

при больших импульсах.Считается, что пока неизвестная нетривиальная физика находится где-то между этими двумя режимами.

Релятивистская квантовая теория поля

В релятивистской квантовой теории поля физический вакуум также предполагается как своего рода нетривиальная среда, которой можно сопоставить определенную энергию .Это происходит потому, что концепция абсолютно пустого пространства (или «математического вакуума») противоречит постулатам квантовой механики .Согласно КТФ, даже при отсутствии реальных частиц фон всегда заполнен парами рождающихся и уничтожающих виртуальных частиц .Однако непосредственная попытка описания такой среды приводит к так называемым ультрафиолетовым расходимостям .В некоторых моделях КТП, таких как квантовая электродинамика, эти проблемы можно «решить» с помощью техники перенормировки , а именно замены расходящихся физических величин их экспериментально измеренными значениями.В других теориях, таких как квантовая общая теория относительности , этот трюк не работает , и надежную теорию возмущений построить невозможно.

Согласно СВТ, это происходит потому, что в режиме высоких энергий («ультрафиолетовом») симметрия Лоренца начинает нарушаться, поэтому зависимые теории не могут считаться действительными для всех масштабов энергий и импульсов.Соответственно, хотя лоренц-симметричные модели квантового поля, очевидно, являются хорошим приближением ниже порога энергии вакуума, в непосредственной близости от него релятивистское описание становится все более «эффективным» и все менее естественным, поскольку придется корректировать выражения для ковариантные теоретико - полевые действия вручную.

Искривленное пространство-время

Согласно общей теории относительности , гравитационное взаимодействие описывается в терминах пространства-времени кривизны с использованием математического аппарата дифференциальной геометрии .Это подтверждалось многочисленными экспериментами и наблюдениями в режиме низких энергий. Однако попытки квантовать общую теорию относительности привели к различным серьезным проблемам , поэтому микроскопическая структура гравитации до сих пор не определена.Для этого может быть фундаментальная причина: степени свободы общей теории относительности основаны на том, что может быть лишь приблизительным и эффективным . Вопрос о том, является ли общая теория относительности эффективной теорией, поднимался уже давно.

Согласно СВТ, искривленное пространство-время возникает как малоамплитудная коллективная мода возбуждения нерелятивистского фонового конденсата. Математическое описание этого похоже на аналогию жидкости и гравитации , которая также используется в аналоговых моделях гравитации . Таким образом, релятивистская гравитация представляет собой, по сути, длинноволновую теорию коллективных мод, амплитуда которых мала по сравнению с фоновой.Вне этого требования описание гравитации в искривленном пространстве в терминах римановой геометрии становится неполным или нечетким.

Космологическая постоянная

Понятие космологической постоянной имеет смысл только в релятивистской теории, поэтому в рамках СВТ эта константа может относиться максимум к энергии малых колебаний вакуума выше фонового значения, но не к энергии самого вакуума. Таким образом, в СВТ эта константа не имеет какого-либо фундаментального физического смысла, и связанные с ней проблемы, такие как вакуумная катастрофа , просто не возникают вообще.

Гравитационные волны и гравитоны

Согласно общей теории относительности , обычная гравитационная волна – это:

1. небольшое колебание искривленного пространства-времени, которое
2. был отделен от своего источника и распространяется независимо.

Теория сверхтекучего вакуума ставит под сомнение возможность существования в природе релятивистского объекта, обладающего обоими этими свойствами. Действительно, согласно подходу, искривленное пространство-время само по себе является малым коллективным возбуждением сверхтекучего фона, поэтому свойство (1) означает, что гравитон на самом деле был бы «малым колебанием малого колебания», что не выглядит как физически устойчивая концепция (как если бы кто-то попытался ввести небольшие флуктуации внутри фонона , например).В результате может быть не просто совпадением то, что в общей теории относительности само по себе гравитационное поле не имеет четко определенного тензора энергии-импульса , а имеет только псевдотензор . Поэтому свойство (2) не может быть полностью оправдано в теории с точной лоренц-симметрией , какой является общая теория относительности. не Однако СВТ априори запрещает существование нелокализованных волнообразных возбуждений сверхтекучего фона, которые могут быть ответственны за астрофизические явления, которые в настоящее время приписывают гравитационным волнам, таким как двойная система Халса-Тейлора . Однако такие возбуждения не могут быть корректно описаны в рамках полностью релятивистской теории.

Генерация массы и бозон Хиггса

— Бозон Хиггса это частица со спином 0, которая была введена в электрослабую теорию для придания массы слабым бозонам . Происхождение массы самого бозона Хиггса не объясняется электрослабой теорией. Вместо этого эта масса вводится как свободный параметр посредством потенциала Хиггса , что, таким образом, делает ее еще одним свободным параметром Стандартной модели . В рамках Стандартной модели (или ее расширений) теоретические оценки значения этого параметра возможны лишь косвенно, и результаты существенно отличаются друг от друга. Таким образом, использование бозона Хиггса (или любой другой элементарной частицы с заданной массой) само по себе не является наиболее фундаментальным решением проблемы генерации массы , а лишь ее переформулировкой до бесконечности . Еще одна известная проблема модели Глэшоу-Вайнберга-Салама - это неправильный знак массового члена в (непрерывном) секторе Хиггса для энергии выше шкалы нарушения симметрии .

Хотя СВТ не запрещает явно существование электрослабой частицы Хиггса , у нее есть собственное представление о фундаментальном механизме образования массы — элементарные частицы приобретают массу за счет взаимодействия с вакуумным конденсатом, аналогично механизму образования щели в сверхпроводниках или сверхжидкостях . Хотя эта идея не совсем нова, можно вспомнить релятивистский подход Коулмана-Вайнберга , SVT придает смысл нарушающему симметрию релятивистскому скалярному полю как описывающему малые флуктуации фоновой сверхтекучей жидкости, которую можно интерпретировать как элементарную частицу только при определенных условиях. В общем случае возможны два сценария:

• Бозон Хиггса существует: в этом случае SVT обеспечивает механизм генерации массы, лежащий в основе электрослабого механизма и объясняющий происхождение массы самого бозона Хиггса;
• Бозона Хиггса не существует: тогда слабые бозоны приобретают массу за счет непосредственного взаимодействия с вакуумным конденсатом.

Таким образом, бозон Хиггса, даже если бы он существовал, был бы побочным продуктом фундаментального явления генерации массы, а не его причиной.

Кроме того, некоторые версии SVT отдают предпочтение волновому уравнению, основанному на логарифмическом потенциале, а не на четвертом . Первый потенциал имеет не только форму мексиканской шляпы, необходимую для спонтанного нарушения симметрии , но и некоторые другие особенности , делающие его более подходящим для описания вакуума.

Логарифмическая теория вакуума БЭК

В этой модели предполагается, что физический вакуум представляет собой сильно коррелированную квантовую бозе-жидкость основного состояния которой , волновая функция описывается логарифмическим уравнением Шредингера . Показано, что релятивистское гравитационное взаимодействие возникает как малоамплитудная коллективного возбуждения мода , тогда как релятивистские элементарные частицы могут быть описаны частицеподобными модами в пределе малых энергий и импульсов. Существенное отличие этой теории от других состоит в том, что в логарифмической сверхтекучести максимальная скорость колебаний постоянна в главном (классическом) порядке.Это позволяет полностью восстановить постулаты относительности в «фононном» (линеаризованном) пределе.

Предложенная теория имеет множество наблюдательных следствий.Они основаны на том, что при высоких энергиях и импульсах поведение частицеподобных мод со временем становится отличным от релятивистского – они могут достигать предела скорости света при конечной энергии. Среди других предсказанных эффектов — сверхсветовое распространение и вакуумное черенковское излучение .

Теория отстаивает механизм генерации массы, который должен заменить или изменить электрослабый бозон Хиггса .Было показано, что массы элементарных частиц могут возникать в результате взаимодействия со сверхтекучим вакуумом аналогично механизму образования щели в сверхпроводниках . Например, фотон, распространяющийся в среднем межзвездном вакууме, приобретает крошечную массу, которая оценивается примерно в 10 ⁻³⁵ электронвольт .Можно также получить эффективный потенциал для сектора Хиггса, который отличается от того, который используется в модели Глэшоу – Вайнберга – Салама , но дает генерацию массы и свободен от проблемы мнимой массы. появляется в обычном потенциале Хиггса .

См. также

• Аналоговая гравитация
• Акустическая метрика
• Казимир вакуум
• Дилатоническая квантовая гравитация
• Излучение Хокинга
• Индуцированная гравитация
• Логарифмическое уравнение Шрёдингера
• Гравитация Хоравы – Лифшица
• Звуковая черная дыра
• Энергия вакуума
• Гидродинамические квантовые аналоги
• Жидкий раствор
• Вакуумное решение (общая теория относительности)