Войти
Энергия вакуума является основным фоном энергия, который существует в пространстве во всей вселенной. Его поведение кодифицировано в принципе неопределенности энергия-время Гейзенберга. Тем не менее, точный эффект таких мимолетных порций энергии трудно определить количественно. Энергия вакуума - это частный случай энергии нулевой точки, который относится к квантовому вакууму.
 | Нерешенная проблема в физике :. Почему энергия нулевой точки вакуума не вызывает большой космологической постоянной ? Что его отменяет? (больше нерешенных проблем в физике) |
Эффекты энергии вакуума можно экспериментально наблюдать в различных явлениях, таких как спонтанное излучение, эффект Казимира и сдвиг Лэмба, и считается, что они влияют на поведение Вселенной в космологических масштабах. Используя верхний предел космологической постоянной, вакуумная энергия свободного пространства была оценена в 10 джоулей (10 эрг ) на кубический метр. Однако как в квантовой электродинамике (QED), так и в стохастической электродинамике (SED), соответствие принципу ковариации Лоренца и величине Постоянная Планка предполагает гораздо большее значение - 10 джоулей на кубический метр. Это огромное несоответствие известно как проблема космологической постоянной.
Квантовая теория поля утверждает, что все фундаментальные поля, такие как электромагнитное поле, должны быть квантованный в каждой точке пространства. Поле в физике можно представить, как если бы пространство было заполнено взаимосвязанными вибрирующими шарами и пружинами, а сила поля подобна смещению шара из его положения покоя. Теория требует "вибраций" или, точнее, изменения напряженности такого поля для распространения согласно соответствующему волновому уравнению для конкретного рассматриваемого поля. Второе квантование квантовой теории поля требует, чтобы каждая такая комбинация шарик-пружина была квантована, то есть, чтобы сила поля была квантована в каждой точке пространства. Канонически, если поле в каждой точке пространства является простым гармоническим осциллятором, его квантование помещает квантовый гармонический осциллятор в каждую точку. Возбуждения поля соответствуют элементарным частицам из физики элементарных частиц. Таким образом, согласно теории, даже вакуум имеет чрезвычайно сложную структуру, и все расчеты квантовой теории поля должны производиться применительно к этой модели вакуума.
Теория считает, что вакуум неявно имеет те же свойства, что и частица, такие как спин или поляризация в случае света, энергии, и так далее. Согласно теории, большинство этих свойств в среднем сводятся на нет, оставляя вакуум пустым в буквальном смысле слова. Однако одним важным исключением является энергия вакуума или ожидаемое значение вакуума энергии. Квантование простого гармонического осциллятора требует минимально возможной энергии или энергии нулевой точки такого осциллятора, которая должна быть
Суммирование всех возможных осцилляторов во всех точках пространства дает бесконечное количество. Чтобы устранить эту бесконечность, можно утверждать, что физически измеримыми могут быть только различия в энергии, во многом так же, как концепция потенциальной энергии рассматривалась в классической механике на протяжении веков. Этот аргумент лежит в основе теории перенормировки. Во всех практических расчетах именно так обрабатывается бесконечность.
Энергию вакуума можно также рассматривать в терминах виртуальных частиц (также известных как вакуумные флуктуации), которые создаются и разрушаются из вакуума. Эти частицы всегда создаются из вакуума в парах частица – античастица, которые в большинстве случаев в течение короткого времени аннигилируют друг друга и исчезают. Однако эти частицы и античастицы могут взаимодействовать с другими, прежде чем исчезнуть, и этот процесс 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, страдает теми же проблемами перенормировки.
Дополнительные вклады в энергию вакуума происходят от спонтанного нарушения симметрии в квантовой теории поля.
Энергия вакуума имеет ряд последствий. В 1948 году голландские физики Хендрик Б.Г. Казимир и Дирк Полдер предсказали существование крошечной силы притяжения между близко расположенными металлическими пластинами из-за резонансы в энергии вакуума в пространстве между ними. Теперь это 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 известные концептуальные объекты, такие как электроны, магнитные поля и т. Д., Реальны. Однако с тех пор были предложены альтернативные объяснения эффекта Казимира.
Другие прогнозы труднее проверить. Вакуумные флуктуации всегда создаются как пары частица-античастица. Создание этих виртуальных частиц вблизи горизонта событий черной дыры было предположено физиком Стивеном Хокингом как механизм возможного " испарение »черных дыр. Если одна из пары втягивается в черную дыру до этого, тогда другая частица становится «реальной», и энергия / масса по существу излучается в космос из черной дыры. Эта потеря является кумулятивной и может со временем 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 составлять порядка 10 лет для черной дыры большой солнечной массы. дыры.
Энергия вакуума также имеет важные последствия для физической космологии. Общая теория относительности предсказывает, что энергия эквивалентна массе, и поэтому, если энергия вакуума «действительно присутствует», она должна оказывать гравитационную силу. По сути, ожидается, что ненулевая энергия вакуума будет вносить вклад в космологическую постоянную, которая влияет на расширение Вселенной. В частном случае энергии вакуума общая теория относительности оговаривает, что гравитационное поле пропорционально ρ + 3p (где ρ - плотность массы и энергии, а p - давление). Квантовая теория вакуума также утверждает, что давление энергии вакуума в нулевом состоянии всегда отрицательно и равно по величине ρ. Таким образом, общая сумма равна ρ + 3p = ρ - 3ρ = −2ρ, отрицательное значение. Если действительно основное состояние вакуума имеет ненулевую энергию, расчет подразумевает отталкивающее гравитационное поле, вызывающее ускорение расширения Вселенной,. Однако энергия вакуума математически бесконечна без перенормировки, которая основана на предположении, что мы можем измерять энергию только в относительном смысле, что неверно, если мы можем наблюдать ее косвенно с помощью космологической константа.
Существование энергии вакуума также иногда используется как теоретическое обоснование возможности машин, работающих на свободной энергии. Утверждалось, что из-за нарушенной симметрии (в КЭД) свободная энергия не нарушает закон сохранения энергии, поскольку законы термодинамики применимы только к равновесным системам. Однако физики сходятся во мнении, что это неизвестно, поскольку природа энергии вакуума остается нерешенной проблемой. В частности, второй закон термодинамики не зависит от наличия энергии вакуума. Однако в стохастической электродинамике плотность энергии принимается как классическое поле случайных шумовых волн, которое состоит из реальных электромагнитных шумовых волн, изотропно распространяющихся во всех направлениях. Казалось бы, энергия в таком волновом поле доступна, например, с помощью ничего более сложного, чем направленный ответвитель . Наиболее очевидной трудностью является спектральное распределение энергии, которое для совместимости с лоренц-инвариантностью требует, чтобы он принял форму Kf, где K - постоянная величина, а f - частота. Отсюда следует, что поток энергии и импульса в этом волновом поле становится значительным только на очень коротких длинах волн, где в настоящее время отсутствует технология направленного ответвителя.
В 1934 году Жорж Лемэтр использовал необычное уравнение состояния идеальной жидкости , чтобы интерпретировать космологическую постоянную как результат энергии вакуума. В 1948 году эффект Казимира предоставил экспериментальный метод проверки существования энергии вакуума; Однако в 1955 году 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 Эдвард Трайон предложил гипотезу о Вселенной с нулевой энергией : что Вселенная может быть крупномасштабной квантово-механической флуктуацией вакуума, где положительная масса –энергия уравновешивается отрицательной гравитационной потенциальной энергией. В течение 1980-х было много попыток связать поля, генерирующие вакуумную энергию, с конкретными полями, которые были предсказаны попытками теории Великого объединения, и использовать наблюдения Вселенной для подтверждения той или иной версии. Однако точная природа частиц (или полей), которые генерируют энергию вакуума, с плотностью, требуемой теорией инфляции, остается загадкой.
