Квантовая флуктуация

Похожие статьи см. в разделе «Квантовый вакуум (значения)» .

3D-визуализация квантовых флуктуаций вакуума квантовой хромодинамики (КХД)

В квантовой физике квантовая флуктуация (также известная как флуктуация состояния вакуума или флуктуация вакуума ) — это временное случайное изменение количества энергии в точке пространства . как предписывает Вернера Гейзенберга принцип неопределенности . Это мельчайшие случайные колебания значений полей, которые представляют собой элементарные частицы, таких как электрические и магнитные поля , которые представляют собой электромагнитную силу, переносимую фотонами , поля W и Z, которые несут слабую силу , и глюонные поля, которые несут сильную силу .

Принцип неопределенности гласит, что неопределенность в энергии и времени может быть связана соотношением $\Delta E\,\Delta t\geq {\tfrac {1}{2}}\hbar ~$, где 1/2 × ч ≈ 5,27286 10 ⁻³⁵ Джс. Это означает что пары виртуальных частиц с энергией $\Delta E$ и срок службы короче $\Delta t$ постоянно создаются и уничтожаются в пустом пространстве. Хотя частицы невозможно обнаружить напрямую, кумулятивный эффект этих частиц поддается измерению. Например, без квантовых флуктуаций «голая» масса и заряд элементарных частиц были бы бесконечными; Согласно теории перенормировки, экранирующий эффект облака виртуальных частиц отвечает за конечную массу и заряд элементарных частиц.

Другим следствием является эффект Казимира . Одним из первых наблюдений, свидетельствующих о флуктуациях вакуума, был лэмбовский сдвиг в водороде. В июле 2020 года ученые сообщили, что флуктуации квантового вакуума могут влиять на движение макроскопических объектов человеческого масштаба путем измерения корреляций ниже стандартного квантового предела между неопределенностью положения/импульса зеркал LIGO и неопределенностью числа фотонов/фазы света, которая они отражают.

Флуктуации поля

В квантовой теории поля поля испытывают квантовые флуктуации. Можно провести достаточно четкое различие между квантовыми флуктуациями и тепловыми флуктуациями квантового поля (по крайней мере, для свободного поля; для взаимодействующих полей перенормировка существенно усложняет дело). Иллюстрацию этого различия можно увидеть, рассматривая квантовые и классические поля Клейна – Гордона: Для квантованного поля Клейна – Гордона в вакуумном состоянии мы можем вычислить плотность вероятности того, что мы будем наблюдать конфигурацию $\varphi _{t}(x)$ в момент времени t с точки зрения преобразования Фурье ${\tilde {\varphi }}_{t}(k)$ быть

$\rho _{0}[\varphi _{t}]=\exp {\left[-{\frac {1}{\hbar }}\int {\frac {d^{3}k}{(2\pi )^{3}}}{\tilde {\varphi }}_{t}^{*}(k){\sqrt {|k|^{2}+m^{2}}}\,{\tilde {\varphi }}_{t}(k)\right]}.$

Напротив, для классического поля Клейна – Гордона при ненулевой температуре плотность вероятности Гиббса того, что мы будем наблюдать конфигурацию $\varphi _{t}(x)$ за раз $t$ является

$\rho _{E}[\varphi _{t}]=\exp {\big [}-H[\varphi _{t}]/k_{\text{B}}T{\big ]}=\exp {\left[-{\frac {1}{k_{\text{B}}T}}\int {\frac {d^{3}k}{(2\pi )^{3}}}{\tilde {\varphi }}_{t}^{*}(k){\frac {1}{2}}\left(|k|^{2}+m^{2}\right)\,{\tilde {\varphi }}_{t}(k)\right]}.$

Эти распределения вероятностей показывают, что возможна любая возможная конфигурация поля, при этом амплитуда квантовых флуктуаций контролируется постоянной Планка. $\hbar$, так же как амплитуда тепловых флуктуаций контролируется $k_{\text{B}}T$, где k _B – постоянная Больцмана . Обратите внимание, что следующие три пункта тесно связаны между собой:

1. Постоянная Планка имеет единицы действия (джоули-секунды) вместо единиц энергии (джоули),
2. квантовое ядро ${\sqrt {|k|^{2}+m^{2}}}$ вместо ${\tfrac {1}{2}}{\big (}|k|^{2}+m^{2}{\big )}$ (квантовое ядро ​​нелокально с точки зрения классического теплового ядра , но оно локально в том смысле, что не позволяет передавать сигналы),
3. состояние квантового вакуума лоренц-инвариантно (хотя и не явно, как указано выше), тогда как классическое тепловое состояние - нет (классическая динамика лоренц-инвариантна, но плотность вероятности Гиббса не является лоренц-инвариантным начальным условием).

Классическое непрерывное случайное поле может быть построено с той же плотностью вероятности, что и состояние квантового вакуума, так что принципиальным отличием от квантовой теории поля является теория измерения ( измерение в квантовой теории отличается от измерения для классического непрерывного случайного поля, в что классические измерения всегда взаимно совместимы – в терминах квантовой механики они всегда коммутируют).

См. также

• Космический микроволновый фон
• Излучение Хокинга
• Квантовый отжиг
• Сколько пены
• Стохастическая интерпретация
• Энергия вакуума
• Поляризация вакуума
• Виртуальная черная дыра
• Дрожащее движение