Это пылесосит
Вакуум КЭД или квантовый электродинамический вакуум — это теоретико-полевой вакуум квантовой электродинамики . Это состояние с наименьшей энергией ( основное состояние ) электромагнитного поля, когда поля квантованы . [1] Когда константе Планка гипотетически разрешено приближаться к нулю, вакуум КЭД преобразуется в классический вакуум , то есть в вакуум классического электромагнетизма. [2] [3]
Другой теоретико-полевой вакуум — это вакуум КХД Стандартной модели .

Колебания [ править ]
Вакуум КЭД подвержен флуктуациям относительно состояния покоя с нулевым средним полем; [4] Вот описание квантового вакуума:
Квантовая теория утверждает, что вакуум, даже самый совершенный вакуум, лишенный какой-либо материи, на самом деле не пуст. Скорее, квантовый вакуум можно изобразить как море непрерывно появляющихся и исчезающих [пар] частиц, которые проявляются в кажущемся столкновении частиц, совершенно отличном от их тепловых движений. Эти частицы являются «виртуальными», а не реальными. ...В любой момент вакуум полон таких виртуальных пар, которые оставляют после себя свою подпись, воздействуя на энергетические уровни атомов.
- Джозеф Силк На берегах неизведанного , с. 62 [5]
Виртуальные частицы [ править ]
Иногда пытаются дать интуитивное представление о виртуальных частицах, основанное на принципе неопределенности энергии и времени Гейзенберга :
Однако такая интерпретация соотношения неопределенности энергии и времени не является общепринятой. [7] [8] Одной из проблем является использование соотношения неопределенностей, ограничивающего точность измерений, как будто временная неопределенность Δ t определяет «бюджет» для заимствования энергии Δ E . Другая проблема заключается в значении слова «время» в этом отношении, поскольку энергия и время (в отличие, например, от положения q и импульса p ) не удовлетворяют каноническому коммутационному соотношению (например, [ q , p ] = iħ ). [9] Были предложены различные схемы построения наблюдаемой, которая имеет некоторую временную интерпретацию, но при этом удовлетворяет каноническому соотношению коммутации с энергией. [10] [11] Многие подходы к принципу неопределенности энергии и времени являются постоянным предметом изучения. [11]
Квантование полей [ править ]
Принцип неопределенности Гейзенберга не позволяет частице существовать в состоянии, в котором частица одновременно находится в фиксированном месте, скажем, в начале координат, а также имеет нулевой импульс. Вместо этого частица имеет диапазон импульса и разброса по местоположению, обусловленный квантовыми флуктуациями; если он ограничен, он имеет нулевую энергию . [12]
Принцип неопределенности применим ко всем квантово-механическим операторам, которые не коммутируют . [13] В частности, это относится и к электромагнитному полю. Далее следует отступление, чтобы конкретизировать роль коммутаторов электромагнитного поля. [14]
- Стандартный подход к квантованию электромагнитного поля начинается с введения векторного потенциала A и скалярного потенциала V для представления основного электромагнитного электрического поля E и магнитного поля B с использованием соотношений: [14] Векторный потенциал не полностью определяется этими соотношениями, оставляя открытой так называемую калибровочную свободу . Разрешение этой неоднозначности с использованием кулоновской калибровки приводит к описанию электромагнитных полей в отсутствие зарядов в терминах векторного потенциала и поля импульса Π , определяемого формулой:где ε0 . — постоянная единиц СИ электрическая Квантование достигается за счет того, что поле импульса и векторный потенциал не коммутируют. То есть коммутатор равного времени: [15]где r , r ′ — пространственные положения, ħ — приведенная постоянная Планка , δ ij — дельта Кронекера и δ ( r − r ′) — дельта-функция Дирака . Обозначение [, ] обозначает коммутатор .
- Квантование может быть достигнуто без введения векторного потенциала с точки зрения самих основных полей: [16] где циркумфлекс обозначает независимый от времени полевой оператор Шрёдингера, а ε ijk — антисимметричный тензор Леви-Чивита .
Из-за некоммутации полевых переменных дисперсии полей не могут быть равны нулю, хотя их средние значения равны нулю. [17] Таким образом, электромагнитное поле имеет нулевую энергию и самое низкое квантовое состояние. Взаимодействие возбужденного атома с этим низшим квантовым состоянием электромагнитного поля приводит к спонтанному излучению , переходу возбужденного атома в состояние с более низкой энергией путем испускания фотона даже при отсутствии внешнего возмущения атома. [18]
Электромагнитные свойства [ править ]

В результате квантования квантовый электродинамический вакуум можно рассматривать как материальную среду. [20] Он способен к поляризации вакуума . [21] [22] В частности, закон сил между заряженными частицами . затрагивается [23] [24] Электрическую проницаемость квантового электродинамического вакуума можно рассчитать, и она немного отличается от простого ε 0 классического вакуума . Аналогичным образом можно рассчитать его проницаемость, которая незначительно отличается от µ 0 . Эта среда является диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью > 1 и диамагнитной с относительной магнитной проницаемостью < 1. [25] [26] В некоторых экстремальных обстоятельствах, когда поле превышает предел Швингера (например, в очень сильных полях, обнаруженных во внешних областях пульсаров [27] ), считается, что квантовый электродинамический вакуум проявляет нелинейность в полях. [28] Расчеты также указывают на двойное лучепреломление и дихроизм в сильных полях. [29] Многие электромагнитные эффекты вакуума невелики, и лишь недавно были разработаны эксперименты, позволяющие наблюдать нелинейные эффекты. [30] PVLAS и другие команды работают над необходимой чувствительностью для обнаружения эффектов QED.
Достижимость [ править ]
Идеальный вакуум сам по себе достижим только в принципе. [31] [32] Это идеализация, подобная абсолютному нулю температуры, к которой можно приблизиться, но которую никогда не реализовать на практике:
Одна из причин [вакуум не пуст] заключается в том, что стенки вакуумной камеры излучают свет в форме излучения черного тела... Если этот суп фотонов находится в термодинамическом равновесии со стенками, можно сказать, что он имеет определенную температуру, а также давление. Другая причина, по которой идеальный вакуум невозможен, - это принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что ни одна частица никогда не может иметь точное положение ... Каждый атом существует как функция вероятности пространства, которая имеет определенное ненулевое значение повсюду в данном объеме. ...Более фундаментально, квантовая механика предсказывает... поправку к энергии, называемой энергией нулевой точки, [которая] состоит из энергий виртуальных частиц, которые существуют недолго. Это называется флуктуацией вакуума .
— Лучано Бой, «Создание физического мира ex nihilo ?» п. 55 [31]
Виртуальные частицы делают идеальный вакуум нереализуемым, но оставляют открытым вопрос о достижимости квантового электродинамического вакуума или вакуума КЭД. Предсказания вакуума КЭД, такие как спонтанное излучение , эффект Казимира и сдвиг Лэмба , были экспериментально подтверждены, что позволяет предположить, что вакуум КЭД является хорошей моделью реализуемого высокого качества вакуума. Однако существуют конкурирующие теоретические модели вакуума. Например, квантовый хромодинамический вакуум включает в себя множество виртуальных частиц, не рассматриваемых в квантовой электродинамике. Вакуум квантовой гравитации учитывает гравитационные эффекты, не включенные в Стандартную модель. [33] Остается открытым вопрос, поддержат ли дальнейшие усовершенствования экспериментальной техники новую модель реализуемого вакуума.
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Цао, Тянь Юй, изд. (2004). Концептуальные основы квантовой теории поля . Издательство Кембриджского университета. п. 179. ИСБН 978-0-521-60272-3 .
Для каждого стационарного классического фонового поля существует основное состояние соответствующего квантованного поля. Это вакуум для этого фона .
- ^ Маккей, Том Г.; Лахтакия, Ахлеш (2010). Электромагнитная анизотропия и бианизотропия: практическое руководство . Всемирная научная. п. 201. ИСБН 978-981-4289-61-0 .
- ^ Классический вакуум — это не материальная среда, а эталонное состояние, используемое для определения единиц СИ . Его диэлектрическая проницаемость — это электрическая постоянная , а проницаемость — это магнитная постоянная , обе из которых точно известны по определению и не являются измеряемыми свойствами. См. Маккей и Лахтакия, с. 20, сноска 6.
- ^ Шанкар, Рамамурти (1994). Принципы квантовой механики (2-е изд.). Спрингер. п. 507. ИСБН 978-0-306-44790-7 .
- ^ Силк, Джозеф (2005). На берегах неизведанного: Краткая история Вселенной . Издательство Кембриджского университета. п. 62. ИСБН 978-0-521-83627-2 .
- ^ Для примера см. Дэвис, PCW (1982). Случайная Вселенная . Издательство Кембриджского университета. п. 106 . ISBN 978-0-521-28692-3 .
- ^ Более расплывчатое описание дает Эллдей, Джонатан (2002). Кварки, лептоны и Большой взрыв (2-е изд.). ЦРК Пресс. п. 224. ИСБН 978-0-7503-0806-9 .
определенное время Δt . Взаимодействие будет продолжаться Это означает, что амплитуда полной энергии, участвующей во взаимодействии, распределена по диапазону энергий Δ E .
- ^ Эта идея «заимствования» привела к предложениям использовать нулевую энергию вакуума в качестве бесконечного резервуара и множеству «лагерей» по поводу этой интерпретации. См., например, Кинг, Морей Б. (2001). В поисках энергии нулевой точки: инженерные принципы изобретений «свободной энергии» . Приключения без ограничений Press. п. 124 и след. ISBN 978-0-932813-94-7 .
- ^ Величины, удовлетворяющие каноническому правилу коммутации, называются несовместимыми наблюдаемыми, то есть обе они могут быть измерены одновременно только с ограниченной точностью. Видеть Ито, Кийоси, изд. (1993). «§ 351 (XX.23) C: Канонические коммутационные соотношения» . Энциклопедический математический словарь (2-е изд.). МТИ Пресс. п. 1303. ИСБН 978-0-262-59020-4 .
- ^ Буш, Пол ; Грабовский, Мариан; Лахти, Пекка Дж. (1995). «§III.4: Энергия и время». Оперативная квантовая физика . Спрингер. п. 77 . ISBN 978-3-540-59358-4 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Обзор см. Пол Буш (2008). «Глава 3: Связь неопределенности времени и энергии». В Муге, JG; Сала Маято, Р.; Эгускиса, И. Л. (ред.). Время в квантовой механике (2-е изд.). Спрингер. п. 73 и след. arXiv : Quant-ph/0105049 . Бибкод : 2002tqm..conf...69B . дои : 10.1007/978-3-540-73473-4_3 . ISBN 978-3-540-73472-7 . S2CID 14119708 .
- ^ Швабль, Франц (2007). «§ 3.1.3: Энергия нулевой точки» . Квантовая механика (4-е изд.). Спрингер. п. 54. ИСБН 978-3-540-71932-8 .
- ^ Ламбропулос, Питер; Петросян, Давид (2007). Основы квантовой оптики и квантовой информации . Спрингер. п. 30. Бибкод : 2007fqoq.book.....L . ISBN 978-3-540-34571-8 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Фогель, Вернер; Уэлш, Дирк-Гуннар (2006). «Глава 2: Элементы квантовой электродинамики» . Квантовая оптика (3-е изд.). Вайли-ВЧ. п. 18. ISBN 978-3-527-40507-7 .
- ^ Это коммутационное соотношение упрощено, и в правильной версии произведение δ справа заменяется поперечным δ - тензором :
- ^ Фогель, Вернер; Уэлш, Дирк-Гуннар (2006). «§2.2.1 Каноническое квантование: уравнение (2.50)» . Квантовая оптика (3-е изд.). Вайли-ВЧ. п. 21. ISBN 978-3-527-40507-7 .
- ^ Гринберг, Гилберт; Аспект, Ален; Фабр, Клод (2010). «§5.2.2 Флуктуации вакуума и их физические последствия» . Введение в квантовую оптику: от полуклассического подхода к квантованному свету . Издательство Кембриджского университета. п. 351. ИСБН 978-0-521-55112-0 .
- ^ Паркер, Ян (2003). Биофотоника, Том 360, Часть 1 . Академическая пресса. п. 516. ИСБН 978-0-12-182263-7 .
- ^ «Первые признаки странных квантовых свойств пустого пространства? - Наблюдения нейтронной звезды с помощью VLT могут подтвердить 80-летнее предсказание о вакууме» . www.eso.org . Проверено 5 декабря 2016 г.
- ^ Брегант, М.; и др. (2003). «Производство лазерных частиц в PVLAS: последние разработки». В Карвене Спунере, Нил Джон; Кудрявцев, Виталий (ред.). Материалы четвертого международного семинара по идентификации темной материи: Йорк, Великобритания, 2-6 сентября 2002 г. Всемирная научная. ISBN 9789812791313 .
- ^ Готфрид, Курт; Вайскопф, Виктор Фредерик (1986). Концепции физики элементарных частиц, Том 2 . Издательство Оксфордского университета. п. 259. ИСБН 978-0195033939 .
- ^ Зейдлер, Эберхард (2011). «§19.1.9 Поляризация вакуума в квантовой электродинамике» . Квантовая теория поля, том III: Калибровочная теория: мост между математиками и физиками . Спрингер. п. 952. ИСБН 978-3-642-22420-1 .
- ^ Пескин, Майкл Эдвард; Шредер, Дэниел В. (1995). «§7.5 Перенормировка электрического заряда» . Введение в квантовую теорию поля . Вествью Пресс. п. 244 . ISBN 978-0-201-50397-5 .
- ^ Швебер, Сильван С. (2003). «Элементарные частицы» . В Хейльброне, JL (ред.). Оксфордский справочник по истории современной науки . Издательство Оксфордского университета. стр. 246–247. ISBN 978-0-19-511229-0 .
Таким образом, в КЭД наличие электрического заряда e o поляризует «вакуум», а заряд, наблюдаемый на большом расстоянии, отличается от e o и определяется выражением e = e o / ε , где ε — диэлектрическая проницаемость вакуума.
- ^ Донохью, Джон Ф.; Голович, Евгений; Гольштейн, Барри Р. (1994). Динамика Стандартной модели . Издательство Кембриджского университета. п. 47. ИСБН 978-0-521-47652-2 .
- ^ Вакуум КХД парамагнитен КЭД , а вакуум диамагнитен . Видеть Бертулани, Карлос А. (2007). Коротко о ядерной физике . Издательство Принстонского университета. п. 26. Бибкод : 2007npn..книга.....Б . ISBN 978-0-691-12505-3 .
- ^ Месарош, Питер (1992). «§2.6 Квантовая электродинамика в сильных полях» . Излучение высоких энергий намагниченных нейтронных звезд . Издательство Чикагского университета. п. 56. ИСБН 978-0-226-52094-0 .
- ^ Хартеманн, Фредерик В. (2002). Электродинамика сильного поля . ЦРК Пресс. п. 428. ИСБН 978-0-8493-2378-2 .
- ^ Привет, Джереми С.; Эрнквист, Ларс (1997). «Двулучепреломление и дихроизм вакуума КЭД». Дж. Физ . А30 (18): 6485–6492. arXiv : hep-ph/9705367 . Бибкод : 1997JPhA...30.6485H . дои : 10.1088/0305-4470/30/18/022 . S2CID 32306183 .
- ^ Мендонса, Хосе Тито; Элиезер, Шалом (2008). «Ядерная физика и элементарные частицы с помощью сверхмощных лазеров». У Элиэзера – Шалом; Мима, Куниоки (ред.). Приложения лазерно-плазменного взаимодействия . ЦРК Пресс. п. 145. ИСБН 978-0-8493-7604-7 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Лучано Бой (2009). «Создание физического мира ex nihilo? О квантовом вакууме и его флуктуациях». В Карафоли, Эрнесто; Даниэли, Джан Антонио; Лонго, Джузеппе О. (ред.). Две культуры: общие проблемы . Спрингер. п. 55. ИСБН 978-88-470-0868-7 .
- ^ Дирак, ПАМ (2001). Чен-Пин Сюй; Юаньчжун Чжан (ред.). Инвариантность Лоренца и Пуанкаре: 100 лет теории относительности . Всемирная научная. п. 440. ИСБН 978-981-02-4721-8 .
- ^ Например, см. Гамбини, Родольфо; Пуллин, Хорхе (2010). «Глава 1: Зачем квантовать гравитацию?» . Первый курс петлевой квантовой гравитации . Издательство Оксфордского университета. п. 1. ISBN 978-0-19-959075-9 . и Ровелли, Карло (2004). «§5.4.2 Много шума из ничего: вакуум» . Квантовая гравитация . Издательство Кембриджского университета. п. 202 и далее. ISBN 978-0-521-83733-0 .
Мы используем три различных понятия вакуума в квантовой гравитации.
Эта статья включает в себя материал из статьи Citizendium « Вакуум (квантовая электродинамика) », которая распространяется по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License , но не по GFDL .