QED вакуум - QED vacuum

Для статей, связанных с вакуумом QED, см. Квантовый вакуум (значения).

В QED вакуум это теоретико-полевой вакуум из квантовая электродинамика. Это состояние с наименьшей энергией ( основное состояние ) электромагнитного поля, когда поля квантуются.^[1] Когда Постоянная Планка гипотетически приближается к нулю, вакуум QED преобразуется в классический вакуум, то есть вакуум классического электромагнетизма.^[2][3]

Другой теоретико-полевой вакуум - это КХД вакуум из Стандартная модель.

А Диаграмма Фейнмана (диаграмма коробки) для фотон-фотонного рассеяния один фотон рассеивается на переходном колебания заряда вакуума другого

Колебания

Основная статья: Квантовая флуктуация

Воспроизвести медиа

На видео эксперимента показано колебания вакуума (в красном кольце) усиленный спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты.

КЭД-вакуум подвержен колебаниям относительно состояния бездействующего нулевого среднего поля:^[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, которое совершенно отличается от их теплового движения. Эти частицы являются «виртуальными», а не реальными частицами. ... В любой данный момент вакуум заполнен такими виртуальными парами, которые оставляют свою сигнатуру, воздействуя на уровни энергии атомов.

— Джозеф Силк На берегу неизвестного, п. 62^[5]

Виртуальные частицы

Основные статьи: Виртуальные частицы и Квантовая флуктуация

Иногда пытаются дать интуитивную картину виртуальных частиц на основе теории Гейзенберга. принцип неопределенности энергии-времени:

${\displaystyle \Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}\,,}$

(куда ΔE и Δт находятся энергия и время вариации, и час в Постоянная Планка делится на 2π), аргументируя это тем, что короткое время жизни виртуальных частиц позволяет «заимствовать» большие энергии у вакуума и, таким образом, допускает генерацию частиц на короткое время.^[6]

Однако такая интерпретация зависимости неопределенности энергии от времени не является общепринятой.^[7][8] Одна из проблем заключается в использовании отношения неопределенности, ограничивающего точность измерения, как если бы неопределенность во времени Δт определяет «бюджет» для заимствования энергии ΔE. Другой вопрос - значение слова «время» в этом отношении, потому что энергия и время (в отличие от положения q и импульс п, например) не удовлетворяют каноническое коммутационное соотношение (Такие как [q, п] = я).^[9] Были предложены различные схемы для построения наблюдаемой, которая имеет некоторую временную интерпретацию и все же удовлетворяет каноническому коммутационному соотношению с энергией.^[10][11] Многие подходы к принципу неопределенности энергии-времени являются постоянным предметом изучения.^[11]

Квантование полей

Основная статья: Квантование электромагнитного поля

В 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 импульсов и разброс по местоположению, которые можно отнести к квантовым флуктуациям; если он ограничен, он имеет энергия нулевой точки.^[12]

Принцип неопределенности применяется ко всем квантово-механическим операторам, которые не ездить.^[13] В частности, это касается также электромагнитного поля. Сделаем отступление, чтобы конкретизировать роль коммутаторов электромагнитного поля.^[14]

Стандартный подход к квантованию электромагнитного поля начинается с введения вектор потенциал А и скаляр потенциал V для представления основного электромагнитного электрического поля E и магнитное поле B используя отношения:^[14]

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {B} &=\mathbf {\nabla \times A} \,,\\\mathbf {E} &=-{\frac {\partial }{\partial t}}\mathbf {A} -\mathbf {\nabla } V\,.\end{aligned}}}$

Векторный потенциал не полностью определяется этими соотношениями, оставляя открытым так называемый свобода измерения. Разрешение этой неоднозначности с помощью Кулоновский калибр приводит к описанию электромагнитных полей в отсутствие зарядов в терминах векторного потенциала и импульсное поле Π, предоставленный:

${\displaystyle \mathbf {\Pi } =\varepsilon _{0}{\frac {\partial }{\partial t}}\mathbf {A} \,,}$

куда ε₀ это электрическая постоянная из Единицы СИ. Квантование достигается за счет того, что поле импульса и векторный потенциал не коммутируют. То есть равновременный коммутатор:^[15]

${\displaystyle {\bigl [}\Pi _{i}(\mathbf {r} ,t),\ A_{j}(\mathbf {r} ',t){\bigr ]}=-i\hbar \delta _{ij}\delta (\mathbf {r} -\mathbf {r} ')\,,}$

куда р, р′ пространственные местоположения, час является Постоянная Планка более 2π, δ_ij это Дельта Кронекера и δ(р − р′) это Дельта-функция Дирака. Обозначение [ , ] обозначает коммутатор.

Квантование может быть достигнуто без введения векторного потенциала в терминах самих основных полей:^[16]

${\displaystyle \left[{\hat {E}}_{k}({\boldsymbol {r}}),{\hat {B}}_{k'}({\boldsymbol {r}}')\right]=-\epsilon _{kk'm}{\frac {i\hbar }{\varepsilon _{0}}}{\frac {\partial }{\partial x_{m}}}\delta ({\boldsymbol {r-r'}})\,,}$

где циркумфлекс обозначает не зависящий от времени полевой оператор Шредингера, а ε_ijk антисимметричный Тензор Леви-Чивиты.

Из-за некоммутации переменных поля дисперсия полей не может быть равна нулю, хотя их средние значения равны нулю.^[17] Следовательно, электромагнитное поле имеет нулевую энергию и самое низкое квантовое состояние. Взаимодействие возбужденного атома с этим низшим квантовым состоянием электромагнитного поля приводит к спонтанное излучение, переход возбужденного атома в состояние с меньшей энергией за счет излучения фотон даже когда нет внешнего возмущения атома.^[18]

Электромагнитные свойства

Смотрите также: Баранина сдвиг, Эффект Казимира, и Спонтанное излучение

Поляризация наблюдаемого света в чрезвычайно сильном магнитном поле предполагает, что пустое пространство вокруг нейтронной звезды подвержено вакуумному двойному лучепреломлению.^[19]

В результате квантования квантово-электродинамический вакуум можно рассматривать как материальную среду.^[20] Он способен поляризация вакуума.^[21][22] В частности, закон силы между заряженными частицами подвергается воздействию.^[23][24] Электрическая проницаемость квантово-электродинамического вакуума может быть вычислена, и она немного отличается от простого ε₀ из классический вакуум. Точно так же можно рассчитать его проницаемость, которая немного отличается от μ₀. Эта среда является диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью> 1 и диамагнетиком с относительной магнитной проницаемостью <1.^[25][26] При некоторых экстремальных обстоятельствах, когда поле превышает Предел Швингера (например, в очень высоких полях во внешних областях пульсары^[27]) считается, что квантовый электродинамический вакуум проявляет нелинейность полей.^[28] Расчеты также указывают на двулучепреломление и дихроизм в сильных полях.^[29] Многие из электромагнитных эффектов вакуума незначительны, и только недавно были разработаны эксперименты, позволяющие наблюдать нелинейные эффекты.^[30] ПВЛАС и другие команды работают над необходимой чувствительностью для обнаружения эффектов QED.

Достижимость

Сам по себе идеальный вакуум достижим только в принципе.^[31][32] Это идеализация, вроде абсолютный ноль для температуры, которая может быть достигнута, но никогда не осознается:

Одна из причин [вакуум не является пустым] состоит в том, что стенки вакуумной камеры излучают свет в виде излучения черного тела ... Если этот суп из фотонов находится в термодинамическом равновесии со стенками, можно сказать, что он имеет определенная температура, а также давление. Другой причиной невозможности идеального вакуума является принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому никакие частицы никогда не могут иметь точное положение ... Каждый атом существует как функция вероятности пространства, которая имеет определенное ненулевое значение везде в данном объеме. ... Более фундаментально, квантовая механика предсказывает ... поправку к энергии, называемую энергией нулевой точки [которая] состоит из энергий виртуальных частиц, которые существуют недолго. Это называется колебание вакуума.

— Лучано Бои, "Создание физического мира" ex nihilo? "стр. 55^[31]

Виртуальные частицы создают идеально вакуум неосуществим, но оставим открытым вопрос о достижимости квантово-электродинамический вакуум или QED-вакуум. Предсказания вакуума QED, такие как спонтанное излучение, то Эффект Казимира и Баранина сдвиг были экспериментально подтверждены, предполагая, что КЭД-вакуум является хорошей моделью для достижимого высокого качества вакуума. Однако существуют конкурирующие теоретические модели вакуума. Например, квантовый хромодинамический вакуум включает множество виртуальных частиц, не рассматриваемых в квантовой электродинамике. Вакуум квантовая гравитация рассматривает гравитационные эффекты, не включенные в Стандартную модель.^[33] Остается открытым вопрос, поддержат ли дальнейшие усовершенствования экспериментальной техники другую модель реализуемого вакуума.

Рекомендации

1. Цао, Тянь Юй, изд. (2004). Концептуальные основы квантовой теории поля. Издательство Кембриджского университета. п. 179. ISBN  978-0-521-60272-3. Для каждого стационарного классического фонового поля существует основное состояние соответствующего квантованного поля. Это вакуум для этого фона.
2. Mackay, Tom G .; Лахтакия, Ахлеш (2010). Электромагнитная анизотропия и бианизотропия: практическое руководство. World Scientific. п. 201. ISBN  978-981-4289-61-0.
3. Классический вакуум - это не материальная среда, а эталонное состояние, используемое для определения Единицы СИ. Его диэлектрическая проницаемость равна электрическая постоянная а его проницаемость равна магнитная постоянная, оба из которых точно известны по определению и не являются измеренными свойствами. См. Mackay & Lakhtakia, p. 20, сноска 6.
4. Шанкар, Рамамурти (1994). Принципы квантовой механики (2-е изд.). Springer. п. 507. ISBN  978-0-306-44790-7.
5. Шелк, Джозеф (2005). На берегу неизвестного: краткая история Вселенной. Издательство Кембриджского университета. п. 62. ISBN  978-0-521-83627-2.
6. Для примера см. Дэвис, П. К. У. (1982). Случайная Вселенная. Издательство Кембриджского университета. п.106. ISBN  978-0-521-28692-3.
7. Расплывчатое описание предоставлено Алдей, Джонатан (2002). Кварки, лептоны и большой взрыв (2-е изд.). CRC Press. п. 224. ISBN  978-0-7503-0806-9. Взаимодействие продлится определенное время Δт. Это означает, что амплитуда полной энергии, участвующей во взаимодействии, распределена по диапазону энергий ΔE.
8. Эта идея "заимствования" привела к предложениям об использовании нулевой энергии вакуума как бесконечного резервуара и множеству "лагерей" по поводу этой интерпретации. См., Например, Кинг, Морей Б. (2001). В поисках энергии нулевой точки: инженерные принципы для изобретений «свободной энергии». Adventures Unlimited Press. п. 124ff. ISBN  978-0-932813-94-7.
9. Величины, удовлетворяющие каноническому правилу коммутации, называются несовместимыми наблюдаемыми, что означает, что они обе могут быть измерены одновременно только с ограниченной точностью. Видеть Ито, Киёси, изд. (1993). "§ 351 (XX.23) C: Канонические коммутационные соотношения". Энциклопедический математический словарь (2-е изд.). MIT Press. п. 1303. ISBN  978-0-262-59020-4.
10. Буш, Пол; Грабовский, Мариан; Лахти, Пекка Дж. (1995). «§III.4: Энергия и время». Оперативная квантовая физика. Springer. п.77. ISBN  978-3-540-59358-4.
11. Для обзора см. Пол Буш (2008). «Глава 3: Связь неопределенности времени и энергии». In Muga, J. G .; Sala Mayato, R .; Egusquiza, Í. Л. (ред.). Время в квантовой механике (2-е изд.). Springer. п. 73ff. arXiv:Quant-ph / 0105049. Bibcode:2002tqm..conf ... 69B. Дои:10.1007/978-3-540-73473-4_3. ISBN  978-3-540-73472-7. S2CID  14119708.
12. Швабль, Франц (2007). «§ 3.1.3: Энергия нулевой точки». Квантовая механика (4-е изд.). Springer. п. 54. ISBN  978-3-540-71932-8.
13. Ламбропулос, Питер; Петросян, Давид (2007). Основы квантовой оптики и квантовой информации. Springer. п. 30. Bibcode:2007fqoq.book ..... L. ISBN  978-3-540-34571-8.
14. Фогель, Вернер; Велш, Дирк-Гуннар (2006). «Глава 2: Элементы квантовой электродинамики». Квантовая оптика (3-е изд.). Wiley-VCH. п. 18. ISBN  978-3-527-40507-7.
15. Это коммутационное соотношение слишком упрощено, и правильная версия заменяет δ изделие справа поперечным δ-тензор:

    ${\displaystyle \delta _{\perp \ ij}(\mathbf {x} )={\frac {1}{8\pi ^{3}}}\int d^{3}\mathbf {k} \left(\delta _{ij}-{\hat {u}}_{i}{\hat {u}}_{j}\right)e^{i\mathbf {k\cdot x} }\ ,}$

    куда û - единичный вектор k, û = k/k. Для обсуждения см. Compagno, G .; Passante, R .; Персико, Ф. (2005). «§2.1 Каноническое квантование в кулоновской калибровке». Атомно-полевые взаимодействия и одетые атомы. Кембриджские исследования в современной оптике, т. 17. Издательство Кембриджского университета. п. 31. ISBN  978-0-521-01972-9.
16. Фогель, Вернер; Велш, Дирк-Гуннар (2006). «§2.2.1 Каноническое квантование: уравнение (2.50)». Квантовая оптика (3-е изд.). Wiley-VCH. п. 21. ISBN  978-3-527-40507-7.
17. Гринберг, Гилберт; Аспект, Ален; Фабр, Клод (2010). «§5.2.2 Колебания вакуума и их физические последствия». Введение в квантовую оптику: от полуклассического подхода к квантованному свету. Издательство Кембриджского университета. п. 351. ISBN  978-0-521-55112-0.
18. Паркер, Ян (2003). Биофотоника, Том 360, Часть 1. Академическая пресса. п. 516. ISBN  978-0-12-182263-7.
19. «Первые признаки странного квантового свойства пустого пространства? - Наблюдения нейтронной звезды на VLT могут подтвердить предсказание 80-летней давности о вакууме». www.eso.org. Получено 5 декабря 2016.
20. Брегант, М .; и другие. (2003). «Производство лазеров на частицах в ПВЛАС: последние разработки». В Curwen Spooner, Нил Джон; Кудрявцев, Виталий (ред.). Труды четвертого международного семинара по идентификации темной материи: Йорк, Великобритания, 2-6 сентября 2002 г.. World Scientific. ISBN  9789812791313.
21. Готфрид, Курт; Вайскопф, Виктор Фредерик (1986). Концепции физики элементарных частиц, Том 2. Издательство Оксфордского университета. п. 259. ISBN  978-0195033939.
22. Зейдлер, Эберхард (2011). «§19.1.9 Поляризация вакуума в квантовой электродинамике». Квантовая теория поля, том III: Калибровочная теория: мост между математиками и физиками. Springer. п. 952. ISBN  978-3-642-22420-1.
23. Пескин, Майкл Эдвард; Шредер, Дэниел В. (1995). «§7.5 Перенормировка электрического заряда». Введение в квантовую теорию поля. Westview Press. п.244. ISBN  978-0-201-50397-5.
24. Швебер, Сильван С. (2003). «Элементарные частицы». В Heilbron, J. L. (ed.). Оксфордский компаньон по истории современной науки. Издательство Оксфордского университета. С. 246–247. ISBN  978-0-19-511229-0. Таким образом, в КЭД наличие электрического заряда е_о поляризует «вакуум» и наблюдаемый на большом расстоянии заряд отличается от е_о и дается е = е_о/ε с ε диэлектрическая проницаемость вакуума.
25. Донохью, Джон Ф .; Голович, Евгений; Холштейн, Барри Р. (1994). Динамика стандартной модели. Издательство Кембриджского университета. п. 47. ISBN  978-0-521-47652-2.
26. КХД вакуум является парамагнитный, а КЭД-вакуум диамагнитный. Видеть Бертулани, Карлос А. (2007). Ядерная физика в двух словах. Издательство Принстонского университета. п. 26. Bibcode:2007нпн..книга ..... B. ISBN  978-0-691-12505-3.
27. Месарош, Питер (1992). «§2.6 Квантовая электродинамика в сильных полях». Излучение высоких энергий намагниченных нейтронных звезд. Издательство Чикагского университета. п. 56. ISBN  978-0-226-52094-0.
28. Хартеманн, Фредерик В. (2002). Электродинамика сильного поля. CRC Press. п. 428. ISBN  978-0-8493-2378-2.
29. Heyl, Jeremy S .; Эрнквист, Ларс (1997). «Двулучепреломление и дихроизм вакуума КЭД». J. Phys. A30 (18): 6485–6492. arXiv:hep-ph / 9705367. Bibcode:1997JPhA ... 30.6485H. Дои:10.1088/0305-4470/30/18/022. S2CID  32306183.
30. Мендонса, Хосе Тито; Элиэзер, Шалом (2008). «Ядерная физика и физика элементарных частиц с помощью сверхмощных лазеров». В Элиэзере, Шаломе; Мима, Куниоки (ред.). Применение лазерно-плазменного взаимодействия. CRC Press. п. 145. ISBN  978-0-8493-7604-7.
31. Лучано Бои (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. Springer. п. 55. ISBN  978-88-470-0868-7.
32. Дирак, П.А. (2001). Чон-Пинг Сюй; Юаньчжун Чжан (ред.). Инвариантность Лоренца и Пуанкаре: 100 лет теории относительности. World Scientific. п. 440. ISBN  978-981-02-4721-8.
33. 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. 202ff. ISBN  978-0-521-83733-0. Мы используем три разных понятия вакуума в квантовой гравитации.

Смотрите также

• Диаграммы Фейнмана
• История квантовой теории поля
• Прецизионные испытания QED

В этой статье использованы материалы из Citizendium статья "Вакуум (квантовая электродинамика) "под лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Непортированная лицензия но не под GFDL.