კვანტური ვაკუუმის მდგომარეობა

ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

კვანტური ვაკუუმის მდგომარეობა

ატომში ელექტრონის ენერგიის დონეები : ძირითადი და აღგზნებული მდგომარეობები . კვანტური ველის თეორიაში ძირითად მდგომარეობას ჩვეულებრივ ვაკუუმის მდგომარეობას ან ვაკუუმს უწოდებენ.

კვანტური ველის თეორიაში , კვანტური ვაკუუმის მდგომარეობა (ასევე ცნობილია, როგორც კვანტური ვაკუუმი ან ვაკუუმის მდგომარეობა ) არის კვანტური მდგომარეობა ყველაზე დაბალი შესაძლო ენერგიით . ზოგადად, ის არ შეიცავს ფიზიკურ ნაწილაკებს. თუმცა, კვანტური ვაკუუმი არ არის მარტივი ცარიელი სივრცე,  არამედ შეიცავს ხანმოკლე ელექტრომაგნიტურ ტალღებსა და ნაწილაკებს , რომლებიც კვანტურ ველში შედიკვანტური ელექტროდინამიკის კვანტური ელექტროდინამიკის ვაკუუმი ( ანუ კვანტური ელექტროდინამიკის ვაკუუმი ) კვანტური ველის თეორიის პირველი ვაკუუმი იყო, რომელიც შემუშავდა. კვანტური ელექტროდინამიკის ვაკუუმი 1930-იან წლებში წარმოიშვა და 1940-იანი წლების ბოლოს და 1950-იანი წლების დასაწყისში იგი ხელახლა ჩამოაყალიბეს ფეინმანმა , ტომონაგამ და შვინგერმა , რომლებმაც ერთობლივად მიიღეს ნობელის პრემია ამ ნაშრომისთვის 1965 წელს.  დღეს ელექტრომაგნიტური და სუსტი ურთიერთქმედებები გაერთიანებულია (მხოლოდ ძალიან მაღალი ენერგიებისთვის) ელექტროსუსტი ურთიერთქმედების თეორიაში .

თუ კვანტური ველის თეორიის ზუსტად აღწერა შესაძლებელია პერტურბაციის თეორიის მეშვეობით , მაშინ ვაკუუმის თვისებები ანალოგიურია კვანტური მექანიკური ჰარმონიული ოსცილატორის ძირითადი მდგომარეობის თვისებებისა , უფრო ზუსტად, გაზომვის ამოცანის ძირითადი მდგომარეობისა . ამ შემთხვევაში, ნებისმიერი ველის ოპერატორის ვაკუუმის მოლოდინის მნიშვნელობა ქრება. კვანტური ველის თეორიებისთვის, რომლებშიც პერტურბაციის თეორია დაბალ ენერგიებზე იშლება (მაგალითად, კვანტური ქრომოდინამიკა ან ზეგამტარობის BCS თეორია ), ველის ოპერატორებს შეუძლიათ მიიღონ არაგაქრობადი ვაკუუმის მოლოდინის მნიშვნელობები სპონტანური სიმეტრიის დარღვევით . სტანდარტულ მოდელში, ჰიგსის ველი იძენს არანულოვან მოლოდინის მნიშვნელობას , როდესაც ელექტროსუსტი სიმეტრია ირღვევა და ეს ხსნის სხვა ნაწილაკების მასების ნაწილს.

ენერგია

ვაკუუმის მდგომარეობა ასოცირდება ნულოვანი წერტილის ენერგიასთან და ამ ნულოვანი წერტილის ენერგიას (რაც ექვივალენტურია ყველაზე დაბალი შესაძლო ენერგეტიკული მდგომარეობისა) აქვს გაზომვადი ეფექტები. ლაბორატორიაში მისი აღმოჩენა შესაძლებელია კაზიმირის ეფექტის სახით. ფიზიკურ კოსმოლოგიაში კოსმოლოგიური ვაკუუმის ენერგია წარმოდგენილია კოსმოლოგიური მუდმივას სახით . ცარიელი სივრცის კუბური სანტიმეტრის ენერგია ფიგურალურად გამოითვალა, როგორც ერგის ერთი მეტრილიონედი ( ანუ 0.6 eV).  ყველაფრის პოტენციური თეორიის წინაშე დაყენებული ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი მოთხოვნაა , რომ კვანტური ვაკუუმის მდგომარეობის ენერგიამ უნდა ახსნას ფიზიკურად დაკვირვებადი კოსმოლოგიური მუდმივა.

სიმეტრია

რელატივისტური ველის თეორიისთვის ვაკუუმი პუანკარეს ინვარიანტულია , რაც გამომდინარეობს უაიტმენის აქსიომებიდან , მაგრამ ასევე შეიძლება პირდაპირ დამტკიცდეს ამ აქსიომების გარეშე.  პუანკარეს ინვარიანტობა გულისხმობს, რომ მხოლოდ ველის ოპერატორების სკალურ კომბინაციებს აქვთ არაგაუქმებადი ვაკუუმის მოსალოდნელი მნიშვნელობები . ვაკუუმმა შეიძლება დაარღვიოს ველის თეორიის ლაგრანჟიანის ზოგიერთი შინაგანი სიმეტრია . ამ შემთხვევაში, ვაკუუმს ნაკლები სიმეტრია აქვს , ვიდრე თეორია იძლევა და ამბობენ, რომ მოხდა სპონტანური სიმეტრიის დარღვევა .

არაწრფივი დიელექტრიკული შეღწევადობა

მაქსველის განტოლებების კვანტური კორექტირება, სავარაუდოდ, ვაკუუმში მცირე არაწრფივი ელექტრული პოლარიზაციის წევრს გამოიწვევს, რაც ველზე დამოკიდებულ ელექტრულ შეღწევადობას ε გადახრის ვაკუუმის შეღწევადობის ნომინალური მნიშვნელობიდან ε 0. [ ₁₀ ^{] ეს თეორიული} მიღწევები აღწერილია, მაგალითად, დიტრიხისა და გიზის ნაშრომებში. ^{კვანტური} ელექტროდინამიკის თეორია პროგნოზირებს, რომ კვანტური ელექტროდინამიკის ვაკუუმმა უნდა აჩვენოს მცირე არაწრფივობა ისე, რომ ძალიან ძლიერი ელექტრული ველის არსებობისას, შეღწევადობა მცირედით იზრდება ε ₀ -თან მიმართებაში . მიმდინარე ექსპერიმენტული ძალისხმევის საგანია  , რომ ძლიერი ელექტრული ველი შეცვლის თავისუფალი სივრცის ეფექტურ შეღწევადობას , გახდება ანიზოტროპული მნიშვნელობით μ ₀ -ზე ოდნავ დაბალი ელექტრული ველის მიმართულებით და ოდნავ აღემატება μ ₀ -ს პერპენდიკულარული მიმართულებით. ელექტრული ველის ზემოქმედების ქვეშ მყოფი კვანტური ვაკუუმი ავლენს ორმაგ რეფრინგენტობას ელექტრომაგნიტური ტალღისთვის, რომელიც მოძრაობს ელექტრული ველის გარდა სხვა მიმართულებით. ეფექტი კერის ეფექტის მსგავსია , მაგრამ მატერიის გარეშე. ეს მცირე არაწრფივობა შეიძლება განიმარტოს ვირტუალური წყვილის წარმოქმნის თვალსაზრისით .  დამახასიათებელი ელექტრული ველის სიძლიერე, რომლისთვისაც არაწრფივობა მნიშვნელოვანი ხდება, პროგნოზირებულია, რომ უზარმაზარი იქნება, დაახლოებით ვ/მ, რომელიც ცნობილია როგორც შვინგერის ზღვარი ; შეფასებულია ეკვივალენტური კერის მუდმივა , რომელიც დაახლოებით ^1020- ჯერ ნაკლებია წყლის კერის მუდმივაზე. ასევე შემოთავაზებულია დიქროიზმის ახსნა ნაწილაკების ფიზიკიდან, კვანტური ელექტროდინამიკის გარდა.  ასეთი ეფექტის ექსპერიმენტულად გაზომვა რთულია  და ჯერ არ არის წარმატებული.

ვირტუალური ნაწილაკები

ვირტუალური ნაწილაკების არსებობა შეიძლება მკაცრად დაფუძნდეს კვანტიზებული ელექტრომაგნიტური ველების არაკომუტაციაზე . არაკომუტაცია ნიშნავს, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ველების საშუალო მნიშვნელობები კვანტურ ვაკუუმში ქრება, მათი ვარიაციები არ ქრება.  ტერმინი „ ვაკუუმის რყევები “ გულისხმობს ველის სიძლიერის ვარიაციას მინიმალური ენერგიის მდგომარეობაში,  და ხატოვნად არის აღწერილი, როგორც „ვირტუალური ნაწილაკების“ მტკიცებულება.  ზოგჯერ ცდილობენ ვირტუალური ნაწილაკების, ან ვარიაციების, ინტუიციური სურათის წარმოდგენას ჰაიზენბერგის ენერგია-დროის გაურკვევლობის პრინციპზე დაყრდნობით :

$${\displaystyle \mathrm{<span\; dir="auto"\; style="vertical-align:\; inherit;"><span\; dir="auto"\; style="vertical-align:\; inherit;">\Delta </span></span>}\mathrm{<span\; dir="auto"\; style="vertical-align:\; inherit;"><span\; dir="auto"\; style="vertical-align:\; inherit;">E</span></span>}\mathrm{<span\; dir="auto"\; style="vertical-align:\; inherit;"><span\; dir="auto"\; style="vertical-align:\; inherit;">\Delta </span></span>}\mathrm{<span\; dir="auto"\; style="vertical-align:\; inherit;"><span\; dir="auto"\; style="vertical-align:\; inherit;">ტ</span></span>}<span\; dir="auto"\; style="vertical-align:\; inherit;"><span\; dir="auto"\; style="vertical-align:\; inherit;">\ge </span></span>\frac{\mathrm{<span\; dir="auto"\; style="vertical-align:\; inherit;"><span\; dir="auto"\; style="vertical-align:\; inherit;">\hslash </span></span>}}{\mathrm{<span\; dir="auto"\; style="vertical-align:\; inherit;"><span\; dir="auto"\; style="vertical-align:\; inherit;">2</span></span>}}<span\; dir="auto"\; style="vertical-align:\; inherit;"><span\; dir="auto"\; style="vertical-align:\; inherit;">,</span></span>}$$(Δ E და Δt შესაბამისად ენერგიისა და დროის ვარიაციებია; Δ E არის ენერგიის გაზომვის სიზუსტე, Δ t არის გაზომვის დრო, ხოლო ħ არის შემცირებული პლანკის მუდმივა ) ამტკიცებენ , რომ ვირტუალური ნაწილაკების მოკლე სიცოცხლის ხანგრძლივობა საშუალებას იძლევა ვაკუუმიდან დიდი ენერგიების „ისესხება“ და ამით ნაწილაკების გენერირება მოკლე დროში.  მიუხედავად იმისა, რომ ვირტუალური ნაწილაკების ფენომენი მიღებულია, ენერგია-დროის გაურკვევლობის დამოკიდებულების ეს ინტერპრეტაცია უნივერსალური არ არის.   ერთ-ერთი საკითხია გაზომვის სიზუსტის შემზღუდველი გაურკვევლობის დამოკიდებულების გამოყენება, თითქოს დროის გაურკვევლობა Δ t განსაზღვრავს ენერგიის სესხების „ბიუჯეტს“ . კიდევ ერთი საკითხია „დროის“ მნიშვნელობა ამ დამოკიდებულებაში, რადგან ენერგია და დრო (მაგალითად, პოზიციისა და იმპულსისგან p განსხვავებით ) არ აკმაყოფილებს კანონიკურ კომუტაციურ დამოკიდებულებას (მაგალითად, [ q , p ] = i  ħ ).  სხვადასხვა სქემა იქნა შემუშავებული ისეთი დაკვირვებადი ობიექტის შესაქმნელად, რომელსაც აქვს გარკვეული სახის დროითი ინტერპრეტაცია და ამავდროულად აკმაყოფილებს კანონიკურ კომუტაციურ დამოკიდებულებას ენერგიასთან.  ენერგია-დროის გაურკვევლობის პრინციპისადმი მრავალი მიდგომა ხანგრძლივი და მიმდინარე თემაა. 

კვანტური ვაკუუმის ფიზიკური ბუნება

ასტრიდ ლამბრეხტის (2002) თანახმად : „როდესაც ადამიანი ცარიელებს სივრცეს ყველა მატერიისგან და ამცირებს ტემპერატურას აბსოლუტურ ნულამდე, გედანკენექსპერიმენტის [აზრობრივი ექსპერიმენტის] დროს წარმოიქმნება კვანტური ვაკუუმის მდგომარეობა“.  ფაულერისა და გუგენჰაიმის (1939/1965) თანახმად , თერმოდინამიკის მესამე კანონის ზუსტად ჩამოყალიბება შემდეგნაირად შეიძლება:

შეუძლებელია ნებისმიერი პროცედურის, რამდენადაც არ უნდა იდეალიზებული იყოს ის, აბსოლუტურ ნულამდე დაყვანა ოპერაციების სასრული რაოდენობის გამოყენებით.  (იხილეთ აგრეთვე.  )

ფოტონ-ფოტონის ურთიერთქმედება შეიძლება მოხდეს მხოლოდ სხვა ველის ვაკუუმურ მდგომარეობასთან ურთიერთქმედების გზით, როგორიცაა დირაკის ელექტრონ-პოზიტრონული ვაკუუმური ველი; ეს დაკავშირებულია ვაკუუმის პოლარიზაციის კონცეფციასთან .  მილონის (1994) თანახმად : „... ყველა კვანტურ ველს აქვს ნულოვანი წერტილის ენერგია და ვაკუუმის რყევები“.  ეს ნიშნავს, რომ თითოეული კომპონენტის ველისთვის (განხილული სხვა ველების კონცეპტუალური არარსებობის შემთხვევაში), როგორიცაა ელექტრომაგნიტური ველი, დირაკის ელექტრონ-პოზიტრონული ველი და ა.შ., შესაბამისად, კვანტური ვაკუუმის კომპონენტი არსებობს. მილონის (1994) თანახმად, ვაკუუმის ელექტრომაგნიტურ ველს მიკუთვნებულ ზოგიერთ ეფექტს შეიძლება ჰქონდეს რამდენიმე ფიზიკური ინტერპრეტაცია, ზოგიერთი უფრო კონვენციური, ვიდრე სხვები. კაზიმირის მიზიდულობა უმუხტო გამტარ ფირფიტებს შორის ხშირად შემოთავაზებულია, როგორც ვაკუუმის ელექტრომაგნიტური ველის ეფექტის მაგალითი. შვინგერი, დერაადი და მილტონი (1978) მოყვანილია მილონის (1994) მიერ, როგორც კაზიმირის ეფექტის ვალიდური, თუმცა არატრადიციული ახსნის მოდელები, რომლებშიც „ვაკუუმი განიხილება, როგორც მდგომარეობა, რომლის ყველა ფიზიკური თვისება ნულის ტოლია“.  ამ მოდელში დაკვირვებული მოვლენები აიხსნება, როგორც ელექტრონების მოძრაობის გავლენა ელექტრომაგნიტურ ველზე, რასაც წყაროს ველის ეფექტი ეწოდება. მილონი წერს:

აქ ძირითადი იდეა იქნება ის, რომ კაზიმირის ძალა შეიძლება გამომდინარეობდეს მხოლოდ წყაროს ველებიდან, თუნდაც სრულიად ტრადიციულ კვანტურ ელექტროდიალიზატორში... მილონი გვთავაზობს დეტალურ არგუმენტს, რომ ვაკუუმის ელექტრომაგნიტურ ველს ჩვეულებრივ მიეწერება გაზომვადი ფიზიკური ეფექტები, რომლებიც არ შეიძლება აიხსნას მხოლოდ ამ ველით, არამედ დამატებით მოითხოვს ელექტრონების საკუთარი ენერგიის ან მათი გამოსხივების რეაქციის წვლილს. ის წერს: „გამოსხივების რეაქცია და ვაკუუმის ველები ერთი და იგივე რამის ორი ასპექტია, როდესაც საქმე ეხება სხვადასხვა კვანტური ელექტროდიალიზების პროცესების ფიზიკურ ინტერპრეტაციებს, მათ შორის ლამბის წანაცვლებას , ვან დერ ვაალის ძალებს და კაზიმირის ეფექტებს.“ 

ეს თვალსაზრისი ასევე გამოთქვა ჯაფემ (2005): „კაზიმირის ძალის გამოთვლა შესაძლებელია ვაკუუმის რყევების გარეშე და კვანტური დიფერენციაციის ყველა სხვა დაკვირვებადი ეფექტის მსგავსად, ის ქრება, როდესაც წვრილი სტრუქტურის მუდმივა, α , ნულისკენ მიდის.

იხ.ვიდეო - How the Quantum Vacuum Gave Rise to Galaxies -Let's see how clearly I can explain this. We think of empty space as, well... empty, the epitome of nothingness. But as our understanding of physics has evolved we have realized that it's not truly empty. Space is filled with fields. There is a field for every subatomic particle. One for electrons, up quarks, down quarks, neutrinos and so on. In empty space these fields are basically zero, flat, nil. But it's impossible to make them perfectly zero so there are always some quantum fluctuations in the fields, even in a perfect vacuum. These are sometimes called virtual particles but they should really just be thought of as little disturbances in the field. Vacuum fluctuation play a role mediating the interactions of subatomic particles but they don't really have an impact on the large-scale structure of the universe, EXCEPT during inflation, right after the big bang when the universe increased in size 10^26 times. Due to this rapid expansion, those tiny fluctuations were blown up to the scale of the observable universe. And we know this by looking at the cosmic microwave background radiation where we can see slightly hotter and cooler parts of the early universe that correspond to density fluctuations. And it is these density fluctuations that allowed matter to clump together into large structures like the gigantic gas clouds that would go on to contain stars and planets. In case the video isn't clear, this is what I've been trying to say.