Энергия вакуума

Энергия вакуума — сумма энергий наинизших энергетических состояний всех квантованных полей в вакууме.[1][2] Энергия вакуума однородна в пространстве и постоянна во времени. Её плотность является мировой константой[3][4][5]

Последствия существования энергии вакуума можно экспериментально наблюдать в различных явлениях, таких как спонтанное излучение, эффект Казимира и лэмбовский сдвиг. Также считается, что она влияет на поведение Вселенной в космологических масштабах.

Астрономические данные о максимальной величине космологической постоянной свидетельствуют, что плотность энергии вакуума не превышает 10−28 г/(см3) или 10−9 джоулей 10−2 эрг), или ~5 ГэВ на кубический метр.[6][7]

Однако, в квантовой электродинамике, в соответствии с принципом Лоренц-инвариантности и с величиной постоянной Планка, предполагают гораздо большее значение 2*1015 г/(см3).[8] Это огромное расхождение известно как проблема космологической постоянной.

ПроисхождениеПравить

Квантовая теория поля утверждает, что все фундаментальные поля, такие как электромагнитное поле, должны быть квантованы в каждой точке пространства. Поле в физике можно представить так, как если бы пространство было заполнено взаимосвязанными вибрирующими шарами и пружинами, а сила поля подобна смещению шара из его положения покоя.[9] Теория требует таких «колебаний» или, точнее, таких изменений напряженности поля, которые распространяются в соответствии с соответствующим волновым уравнением для конкретного рассматриваемого поля. Метод вторичного квантования квантовой теории поля требует, чтобы математическое описание каждой такой комбинации шара и пружины было квантовано, то есть чтобы напряженность поля была квантована в каждой точке пространства. Возбуждения поля соответствуют элементарным частицам физики элементарных частиц. Таким образом, согласно теории, даже вакуум имеет чрезвычайно сложную структуру, и все вычисления квантовой теории поля должны выполняться применительно к этой модели вакуума.

Теория считает, что вакуум неявно обладает теми же свойствами, что и частица, такими как спин или поляризация в случае света, энергии и так далее. Согласно теории, большинство из этих свойств в среднем сводятся на нет оставляя вакуум пустым в буквальном смысле этого слова.[2] Однако одним важным исключением является энергия вакуума или вакуумное ожидаемое значение энергии. Квантование простого гармонического генератора требует минимально возможной энергии, или нулевой энергии такого осциллятора, которая будет

 

Суммирование по всем возможным осцилляторам во всех точках пространства дает бесконечную величину. Чтобы устранить эту бесконечность, можно утверждать, что физически измеримы только различия в энергии, подобно тому, как понятие потенциальной энергии рассматривалось в классической механике на протяжении веков. Этот аргумент лежит в основе теории перенормировки. Во всех практических расчетах именно так обрабатывается бесконечность.

Энергию вакуума также можно рассматривать в терминах виртуальных частиц (также известных как вакуумные флуктуации), которые создаются и уничтожаются из вакуума. Эти частицы всегда создаются из вакуума в парах частица-античастица, которые в большинстве случаев вскоре аннигилируют друг с другом и исчезают. Однако эти частицы и античастицы могут взаимодействовать с другими, прежде чем исчезнуть, процесс, который можно отобразить с помощью диаграмм Фейнмана. Обратите внимание, что этот метод вычисления энергии вакуума математически эквивалентен наличию квантового гармонического осциллятора в каждой точке и, следовательно, сталкивается с теми же проблемами перенормировки.

Дополнительный вклад в энергию вакуума вносит спонтанное нарушение симметрии в квантовой теории поля.

ПоследствияПравить

Вакуумная энергия имеет ряд наблюдаемых последствий. В 1948 году голландский физик Х. Казимир и Д. Польдер[en] предсказали существование крошечной силы притяжения между близко расположенными металлическими пластинами из-за резонанса в энергии вакуума в пространстве между ними. Это явление известно как эффект Казимира и с тех пор было тщательно проверено экспериментально. Поэтому считается, что энергия вакуума «реальна» в том же смысле, что и более знакомые концептуальные объекты, такие как электроны, магнитные поля и т. д. реальны. Однако с тех пор были предложены альтернативные объяснения эффекта Казимира.[10]

Другие прогнозы труднее проверить. Вакуумные флуктуации всегда создаются в виде пар частица-античастица. Создание этих виртуальных частиц вблизи горизонта событий физик Стивен Хокинг выдвинул гипотезу черной дыре как о механизме возможного «испарения» черных дыр.[11] Если одна из пары втягивается в черную дыру до этого, то другая частица становится «реальной», и энергия / масса по существу излучается в пространство из черной дыры. Эта потеря является кумулятивной и со временем может привести к исчезновению черной дыры. Требуемое время зависит от массы черной дыры (уравнения показывают, что чем меньше черная дыра, тем быстрее она испаряется) но может быть порядка 10100 лет для больших черных дыр солнечной массы. [11]

Энергия вакуума также имеет важные последствия для физической космологии. Общая теория относительности предсказывает, что энергия эквивалентна массе, и, следовательно, если энергия вакуума «действительно существует», она должна оказывать гравитационную силу. По существу, ожидается, что ненулевая энергия вакуума внесет вклад в космологическую постоянную, которая влияет на расширение Вселенной.[6][12]

ИсторияПравить

В 1934 году Жорж Леметр использовал необычное идеальная жидкость уравнение состояния интерпретировать космологическую постоянную как обусловленную энергией вакуума. В 1948 году эффект Казимира предоставил экспериментальный метод для проверки существования энергии вакуума; в 1955 г., однако Евгений Лифшиц предложил другое происхождение эффекта Казимира. В 1957 году, Ли и Ян доказали концепции нарушенной симметрии и нарушения четности, за что они получили Нобелевскую премию. В 1973 году, Э. Трайон предложил гипотезу вселенной с нулевой энергией[en]: Вселенная может быть крупномасштабной квантово-механической флуктуацией вакуума, где положительная масса-энергия уравновешивается отрицательной гравитационной потенциальной энергией. В течение 1980-х годов было предпринято много попыток связать поля, генерирующие энергию вакуума, с конкретными полями, которые были предсказаны попытками теорий Великого объединения и использовать наблюдения за Вселенная для подтверждения той или иной версии. Однако точная природа частиц (или поля), которые генерируют энергию вакуума с плотностью, подобной той, которая требуется теорией инфляции, остается загадкой.

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. Пенроуз Р. Мода, вера, фантазия и новая физика Вселенной. — СПб., Питер, 2020. — с. 319
  2. 1 2 Вакуум физический // Физика микромира. — М., Советская энциклопедия, 1980. — с. 131
  3. Штерн Б., Рубаков В. Астрофизика. Троицкий вариант. — М., АСТ, 2020. — с. 44
  4. Battersby, Stephen [https://www.newscientist.com/article/dn16095-its-confirmed-matter-is-merely- vacuum-fluctuations/ It's confirmed: Matter is merely vacuum fluctuations] (англ.) ?. New Scientist. Дата обращения: 18 июня 2020.
  5. Scientific American. 1997. FOLLOW-UP: What is the 'zero-point energy' (or 'vacuum energy') in quantum physics? Is it really possible that we could harness this energy? — Scientific American. [ONLINE] Available at: http://www.scientificamerican.com/article/follow-up-what-is-the-zer/. [Accessed 27 September 2016].
  6. 1 2 Зельдович Я. Б., Хлопов М. Ю. Драма идей в познании природы. — М., Наука, 1988. — c. 177
  7. Sean Carroll, Sr Research Associate — Physics, California Institute of Technology, June 22, 2006C-SPAN broadcast of Cosmology at Yearly Kos Science Panel, Part 1
  8. Фейнман Р., Хибс А. Квантовая механика и интегралы по траекториям. — М., Мир, 1968. — с. 267
  9. Хенли Э., Тирринг В. Элементарная квантовая теория поля. — М., ИЛ, 1963. — с. 20
  10. R. L. Jaffe: The Casimir Effect and the Quantum Vacuum. In: Physical Review D. Band 72, 2005 [1]
  11. 1 2 Page, Don N. (1976). “Particle emission rates from a black hole: Massless particles from an uncharged, nonrotating hole”. Physical Review D. 13 (2): 198—206. Bibcode:1976PhRvD..13..198P. DOI:10.1103/PhysRevD.13.198.
  12. Долгов А. Д. «Космология: от Померанчука до наших дней» УФН 184 211—221 (2014)

Внешние статьи и ссылкиПравить