Физики напрямую квантовые флуктуации в вакууме зарегистрировали.

Физики напрямую квантовые флуктуации в вакууме зарегистрировали.

Каковы свойства вакуума, абсолютной пустоты? До сих пор физики считали, невозможным прямое определение характеристик нижнего энергетического уровня, или основного квантового состояния, пустого пространства. Теперь команда физиков под руководством проф. Альфреда лейтенсорфера из констанцского университета, Германия, смогла осуществить именно это.

В новой работе исследователи продемонстрировали первые прямые наблюдения так называемых флуктуаций вакуума, используя короткие световые импульсы и производя высокоточные оптические измерения. Продолжительность используемых световых импульсов была взята заведомо меньше половины периода световых колебаний для света выбранного спектрального диапазона. Согласно принципам квантовой физики эти осцилляции происходят даже в полной темноте, когда интенсивность световых и радио - волн приближается к нулю.

Экспериментальная установка для измерения электрических полей с очень высоким временным разрешением и чувствительностью сделала возможным это прямое измерение квантовых флуктуаций, несмотря на все высказывавшиеся ранее утверждения о невозможности таких измерений. Современные оптические технологии и сверхкороткие импульсные лазерные системы с очень высокой стабильностью обеспечили необходимую для этого исследования точность. Временное разрешение, достигнутое в этой работе, лежит в фемтосекундном (10? - 15 с диапазоне. В этом случае чувствительность лишь принципами квантовой физики ограничена.

Квантовых флуктуаций в вакууме. Некоторые следствия:

«В этойтеории гравитационное взаимодействие - не фундаментальное взаимодействие, а результат квантовых флуктуаций всех других полей. В настоящее время достигнут большой прогресс в этом направлении …»
Физическая энциклопедия. ГРАВИТАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ.
Т.е. гравитационнаяэнергия поля связана сэнергией вакуумных флуктуаций. Такой подход позволяет рассматривать гравитационное взаимодействие естественным образом как результат подталкивания полевой средой тел друг к другу. Чтобы возникла гравитационная сила, должна существовать разность давления колебаний поля (вакуума) флуктуационного характера. То, что электромагнитные флуктуации вакуума могут подталкивать тела к сближению, подтверждено экспериментально - эффект Казимира.

Квантовый вакуум. Поляризация вакуума

Поляризация вакуума  — совокупность виртуальных процессов рождения и аннигиляции пар частиц в вакууме , обусловленных квантовыми флуктуациями . Эти процессы формируют нижнее (вакуумное) состояние систем взаимодействующих квантовых полей .

Диаграмма Фейнмана для процесса поляризации вакуума (однопетлевое приближение). Виртуальная петля

В отличие от абстрактного (математического) вакуума, фиксируемого приборами, который представляется абсолютной пустотой, реальный (физический) вакуум является пустым только «в среднем». Однако, как бы хорошо мы ни опустошили и ни экранировали определённую область пространства, в ней, в силу принципа неопределённости могут существовать виртуальные частицы . В том числе, возможно даже рождение заряженных частиц в паре со своей античастицей  — это так называемая, виртуальная петля на диаграмме Фейнмана . Петля может существовать очень короткое время, в пределах квантовой неопределённости $\delta t\approx \hslash /\delta E$ , чтобы не нарушать закон сохранения энергии . Но если на вакуум воздействует внешнее поле, то за счёт его энергии возможно рождение реальных частиц. Взаимодействие частиц с вакуумом приводит к изменению массы и заряда частиц.

Поляризация вакуума в квантовой электродинамике заключается в образовании виртуальных электронно-позитронных (а также мюон -антимюонных и таон -антитаонных) пар из вакуума под влиянием электромагнитного поля . Поляризация вакуума приводит к радиационным поправкам к законам квантовой электродинамики и к взаимодействию нейтральных частиц с электромагнитным полем.

На сверхмалых расстояниях ( ${10}^{-33}$ см) возникает связь квантовых эффектов с гравитационными . Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле , которое начинает искажать геометрию пространства . Массы таких частиц $m\approx \sqrt{\frac{\hslash c}{g}}$ , примерно ${10}^{19}$ ГэВ / c ² ( планковская масса ), длина волны $\lambda \approx \frac{\hslash }{mc}$ , примерно ${10}^{-33}$ см ( планковская длина ). Предполагается, что процессы гравитационной поляризации вакуума играют важную роль в космологии .

С другой стороны, вполне возможно, что на таких расстояниях традиционные представления о пространстве и времени (и, в том числе, о поляризации вакуума) становятся совершенно неприменимыми, и привычный квантовополевой подход перестаёт быть адекватным, уступая место теориям квантовой гравитации , основанным на выявлении необычных геометрических и топологических свойств квантованного пространства-времени, таким, как М-теория , петлевая квантовая гравитация и причинная динамическая триангуляция .

Квантовая пустота.

Шаг I: Заметьте конфликт, который вы переживаете, например сохранять отношения или не сохранять отношения.

Шаг II: Заметьте форму и размер каждой части конфликта, и пространство, окружающее их и находящееся между ними.

Шаг III: Дайте себе почувствовать каждую часть конфликта.

Шаг IV: Слейтесь по очереди с каждой из форм, а затем станьте между сторонами конфликта и слейтесь с пространством.

Шаг V: Рассмотрите две эти частицы, плавающие в пустом пространстве, и пустое пространство, как состоящие из одного и того же вещества.

Шаг VI: Заметьте оставшуюся пустоту.

Шаг VII: Сгустите пустоту и создайте частицу 1: “Мне нужно сохранять эти отношения”, сгустите еще немного пустоты и создайте частицу 2: “Мне не нужно сохранять эти отношения”.

Шаг VIII: Теперь растворите эти две частицы и превратите их обратно в пустоту.

Шаг IX: Несколько раз сгустите пустоту, превратив её в части конфликта, и рассейте частицы, превратив их обратно в пустоту.

Рассматривая части(цы) и пустое пространство как одно и то же, обучающиеся отмечали, что части(цы) исчезли, конфликт исчез. Почему? Потому что нет контрастов . Сгущая квантовое поле или пустоту, создавая часть(ицу), например: “Я хочу этих отношений”, затем еще сгущая пустоту и создавая другую часть(ицу), “Я не хочу этих отношений”, вы создаете две части-цы. Вы воображаете, что эти частицы отдельны и сделаны из другого вещества, чем окружающее их пространство и квантовое поле, пустота, из которой они состоят. Как бы все сделано из снега (пустоты), а вы сделали два снежка и положили их в снег (пустоту). Затем вы измельчили снежки, превратили их обратно в снег, и сделали это несколько раз, создавая снежки (сгущенную пустоту), и измельчая их обратно в снег (пустоту). Другой метафорой может быть замораживание воды в лед. Пустота—это вода. Изо льда получаются две части(цы), “я хочу этих отношений” и “Я не хочу этих отношений”. Отличается ли лед от воды? И то, и другое—вода. Лед—это просто замороженная вода. Они сделаны из одного и того же вещества. Аналогично пустота—это вода, а лед, застывшая пустота—части(цы) “Я хочу этих отношений” и “Я не хочу этих отношений”.

Виртуальные частицы

ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ, кванты релятивистских волновых полей, участвующих в флуктуациях вакуума физического. В квантовой механике виртуальные частицы можно рассматривать как частицы, возникающие в промежуточных состояниях (виртуальных состояниях) процессов превращения и взаимодействия частиц. Виртуальные частицы имеют те же квантовые числа, что и реальные частицы, и формально отличаются от последних тем, что для них не выполняется соотношение специальной теории относительности между энергией Е, импульсом р и массой m, Е²- с²р²≠ m²с⁴. Соотношение Е²- с²р²= m²с^Аназывается уравнением массовой поверхности (в пространстве переменных Е, р), поэтому говорят, что виртуальные частицы не лежат на массовой поверхности. Величину отклонения виртуальных частиц от этой поверхности называют виртуальностью.

Виртуальные частицы являются переносчиками взаимодействий. Например, рассеяние заряженных частиц за счёт электромагнитного взаимодействия между ними по представлениям квантовой теории поля осуществляется через обмен виртуальными фотонами.

Понятие «виртуальные частицы» важно для понимания внутренней структуры частиц, особенно адронов. Низкоэнергетическая картина строения адронов использует понятие «шубы» из виртуальных частиц, «облачающих» соответствующую «голую» частицу. Например, распределение электрического заряда на периферии протона объясняется наличием оболочек виртуальных пионов, каонов и так далее. В высокоэнергетических жёстких процессах с большой передачей импульса структура адронов объясняется с помощью партонов (кварков и глюонов), находящихся в виртуальных состояниях.

Ранее под виртуальными частицами понимались такие частицы в виртуальных состояниях, которые были хорошо изучены в реальных состояниях (например, фотоны, электроны, пионы). Но появился класс частиц (кварки, глюоны), которые принципиально не могут находиться в реальных состояниях из-за свойства конфайнмента в квантовой хромодинамике и проявляются на опыте лишь как адронные струи (то есть в определённом смысле эти виртуальные частицы приобрели статус наблюдаемых).

Литературу смотри при статье Квантовая теория поля.

Д. В. Ширков.

Квантовых флуктуаций вакуума. Квантовая флуктуация

Воспроизвести медиафайл

Визуализация квантовых флуктуаций (в красном кольце) с помощью спонтанного параметрического рассеяния .

Квантовые флуктуации  — флуктуации энергии единицы объёма вакуума , связанные с рождением и уничтожением виртуальных частиц .

Визуализация квантовых флуктуаций

Согласно соотношению неопределённости , связывающему вариацию энергии со временем, значение энергии не может быть установлено с какой угодно точностью, тогда при изменении энергии на величину δ E виртуальная частица может рождаться в вакууме на короткий промежуток времени $\delta t\sim \hslash /\delta E$ .Практическое наблюдение реальности возникновения виртуальных частиц проявляется в эффекте Казимира , лэмбовском сдвиге уровней атомов и в других эффектах квантовой электродинамики .

В другом языковом разделе есть более полная статья Quantum fluctuation   (англ.) . Вы можете помочь проекту, расширив текущую статью с помощью перевода. При этом, для соблюдения, следует установить шаблон {{ переведённая статья }} на страницу обсуждения, либо указать ссылку на статью-источник в комментарии к правке.