Частицы, флуктуации и квантовый вакуум: так ли это?

После ответа на вопрос о квантовых флуктуациях Могут ли квантовые флуктуации порождать реальную материю? , я вступил в разговор с Э. Д. Крамером (которому спасибо), и, в конце концов, может быть, у нас действительно были разногласия, или же каждый из нас делал правильные, но разные утверждения, но по-разному использовал такие слова, как «частица». Я чувствовал, что в конце концов было бы лучше записать мое понимание в виде вопроса и, таким образом, попросить других критиковать его.

Это касается вопросов, флуктуирует ли квантовый вакуум и могут ли в результате таких флуктуаций в иначе пустом пространстве появляться частицы?

Этот пост — не просто еще один вопрос о вечном вопросе. Это попытка дать четкий ответ.

Мой ответ на оба вопроса — «нет». Этим я не собираюсь игнорировать или принижать работу специалистов по квантовой теории поля (КТП), которые иногда используют такой язык, чтобы передать физическую интуицию. Я хочу представить здесь полутехническое резюме ситуации в КТП и заявление о том, каковы физические последствия. Мой вопрос: правильно ли следующее?

Обработка набора взаимодействующих квантовых полей в плоском пространстве-времени математически сложна и загадочна, в результате чего не всегда можно быть уверенным в физических последствиях. Я утверждаю, что верно утверждение о сохранении энергии в квантовой теории поля (КТП), и это для меня главное. Из этого следует, что если существует большое пустое пространство-время, содержащее лишь совокупность взаимодействующих квантовых полей в их общем основном состоянии, то такое положение вещей будет сохраняться. С течением времени состояние не изменится в состояние, в котором есть возбуждения или суперпозиции возбуждений из этого основного состояния. Это утверждение бесспорно (я так думаю!?) и легко доказуемо. Все, что вам нужно сделать, это отметить, что основное состояние$|\Omega\rangle$полного набора взаимодействующих полей, каким бы он ни был, по определению является собственным состоянием полного гамильтониана, и поэтому он полностью статичен, за исключением ненаблюдаемой глобальной фазы.

Последняя фраза в предыдущем абзаце показывает, что квантовый вакуум не флуктуирует. Фраза «суперпозиция возбуждений», использованная в предыдущем абзаце, — это то, к чему относится повседневный термин «частицы». Следовательно, частицы не могут появиться в пустом пространстве без какой-либо другой причины, кроме полных взаимодействующих полей, изначально находящихся в их совместном основном состоянии.

Теперь давайте рассмотрим это немного дальше.

У нас нет только$|\Omega \rangle$в реальном физическом космосе. У нас есть вселенная с веществом, то есть с возбуждениями. Так что же происходит тогда?

Чтобы сделать это более конкретным, давайте рассмотрим, что происходит, когда мы вводим что-то вроде отдельного атома в его внутреннее основное состояние. В КТП отдельный атом сам по себе представляет собой очень сложное возбуждение нескольких полей, которые никто не знает, как четко записать. Тогда можно задаться вопросом, останется ли такой атом в своем основном состоянии или, возможно, он будет испытывать осцилляции Раби при взаимодействии с окружающим вакуумом? Ответ зависит от того, как, по вашему мнению, атом выражается формализмом. Мы говорим о «голом» атоме или об «одетом» атоме? «Голый» атом — это атом, воображаемый так, как если бы он каким-то образом мог избежать взаимодействия с окружающими полями. «Одетый» атом — это атом, в котором учтена связь.

Если представить, что взаимодействия могут быть включены в какой-то конкретный момент времени, то голый атом будет с этого момента и далее совершать осцилляции Раби благодаря его взаимодействию с окружающим полем, которое в противном случае (т.е. отдельно от этого голого атома) находится в своем основном состоянии. . Одетый атом, с другой стороны, представляет собой систему, которая включает в себя как голый атом, так и, в некоторой степени, окружающее поле, и имеет в качестве собственных суперпозиций состояния объединенной системы: (голый атом + окружающее поле). Такой одетый атом не плюхается в вакууме. Я думаю. Я признаю, что мое знание КТП недостаточно уверенно, чтобы быть полностью уверенным в этом. Но я думаю, что если бы такой одетый атом возбудился от взаимодействия с окружающим полем, когда последний не имеет других возбуждений, кроме тех, которые необходимы для создания одетого атома, тогда получится нечто невозможное. Невозможный результат состоит в том, что одетый атом может затем испустить фотон, и я думаю, что такая последовательность событий не сохраняет энергию в целом. Но уравнение Шредингера говорит, что энергия сохраняется для изолированной системы (изолированная система здесь представляет собой весь набор полей, включая части, необходимые для создания атома, и все это в плоском пространстве-времени).

В качестве второго примера просто рассмотрим одну частицу, такую ​​как электрон, первоначально движущийся в собственном импульсном состоянии. Я думаю, что если вокруг нет других возбуждений, кроме тех, которые необходимы для образования настоящего (одетого) электрона, то электрон будет сохранять импульс. Другими словами, его волновой вектор постоянен, или, выражаясь повседневным языком, он будет двигаться по прямой. Это правильно? Если это так, то ясно, что вакуум ничего не делает с таким электроном. (Но вы можете найти множество утверждений в Интернете и в популярных книгах о том, что такой электрон прокладывает свой путь через суп из флуктуаций).

Наконец, отметим, что возможное недопонимание здесь состоит в том, что слово «частица» имеет более одного значения. В повседневном языке слово «частица» является сокращением для физически реалистичной вещи, вещи, которая может перемещаться из одного места в другое и вызывать срабатывание детектора. Однако в КТП слово «частица» часто используется для обозначения «возбуждения свободного поля». С физической точки зрения свободное поле — фикция, как и его возбуждения. Это важный математический инструмент, что-то вроде компонента анализа Фурье, но, конечно, ни одно поле не отключает взаимодействие с другими полями. Я думаю, что некоторые из письменных утверждений о том, что в квантовом вакууме крутятся частицы, являются попыткой дать физическую интерпретацию тому факту, что$| \Omega \rangle$(основное состояние полной теории) не равно$|{\bf 0}\rangle$(основное состояние свободной теории). Можно заметить, что для любого заданного состояния свободного поля с$n \ne 0$частицы, есть$\langle n | \Omega \rangle \ne 0$. Тогда можно утверждать, что «если бы было выполнено измерение числа частиц, то существует ненулевая вероятность того, что результат будет$n$' и тогда можно сказать 'так в любой момент$n$частицы могут выскочить из вакуума». Скрытая ловушка здесь в том, что обычные детекторы частиц не обнаруживают возбуждения свободного поля (т.е. математические абстракции). Они обнаруживают какое-то свойство полных взаимодействующих полей. Устройство, которое могло бы действительно полностью отличить одно возбуждение свободного поля от другого, было бы очень странным, совершенно непохожим на обычный детектор частиц, и я предполагаю, но не претендую на это, что оно само обеспечило бы любые энергетические потребности, необходимые для получения ненулевое показание из вакуума.

Так что в основном это. Это мое понимание, и я спрашиваю, правильно ли это. Чтобы действительно зафиксировать это, я заканчиваю повторением физически чувствительного мысленного эксперимента, о котором я упоминал выше. Если во время$t \rightarrow -\infty$вы помещаете атом водорода в его основное состояние в пустом пространстве, с квантовыми полями в любом состоянии, совместимом с присутствием атома водорода, и ни с чем другим, а затем позже, когда время$t \rightarrow \infty$, может ли быть атом водорода плюс фотон, с полями иначе в любом состоянии, совместимом с присутствием атома водорода и фотона? Я имею в виду настоящий, одетый атом водорода, а не математическую фикцию голого атома. (Идея мысленного эксперимента заключается в том, что атом водорода возбуждается, взаимодействуя с окружающим вакуумом, а затем испускает фотон).

Этот мысленный эксперимент — один из способов попытаться придать физический смысл утверждениям о том, что квантовый вакуум сам по себе может вызывать образование или обнаружение частиц в пустом пространстве, или что квантовый вакуум «содержит» такие частицы. Замечу, что при расчете излучения Унру не ожидается возбуждения инерциально движущегося детектора (например, атома). Могу ли я упустить, что, возможно, это всего лишь приближение первого порядка? Я также отмечаю, что в фазовых переходах, предусмотренных космологией Большого Взрыва, каждый из них включает поля, далекие от их основного состояния.