Что на самом деле происходит в вакууме?

Мне сказали, что вакуум на самом деле не пустое пространство, а скорее состоит из пар античастиц, которые спонтанно материализуются, а затем быстро аннигилируют, что наводит меня на несколько вопросов.

Во-первых, это правда? А во-вторых, если да, то откуда берутся эти частицы?... (должны ли частицы вообще откуда-то браться?)

Ответы (3)

Я не думаю, что картина частица-античастица очень хороша для понимания того, что происходит. По сути, это следствие энергии нулевой точки . В классической физике низшее энергетическое состояние системы, ее основное состояние, равно нулю. В квантовой механике это ненулевое (но очень маленькое) значение. Самый простой способ увидеть, как возникает эта нулевая энергия, — рассмотреть элементарную проблему квантовой механики, квантовый гармонический осциллятор. Классический гармонический осциллятор представляет собой систему, в которой действует возвращающая сила, пропорциональная смещению. Например, пружина — чем сильнее вы тянете за конец пружины, тем с большей силой пружина сопротивляется вашему натяжению. Моделирование этой системы в классической физике очень просто.волновая функция , которая кодирует вероятности нахождения частицы в определенных положениях. Еще одним свойством квантовых систем является то, что их энергии приходятся на дискретные энергетические уровни. Если вам интересно, как это устроено, то можете посмотреть здесь . Вы можете получить следующий результат для уровней энергии частицы

Е знак равно ю ( н + 1 2 ) .
С н определяет уровень энергии, настройку н до нуля даст нам основное состояние. Однако мы видим, что это не ноль — поэтому самое низкое возможное состояние квантовой системы все еще содержит некоторую энергию.

В практическом примере жидкий гелий не замерзает при атмосферном давлении при любой температуре из-за его нулевой энергии. Следует отметить одну очень важную вещь: энергия нулевой точки не нарушает закон сохранения энергии . Обычное объяснение состоит в том, что принцип неопределенности позволяет частицам нарушать его, «если они достаточно быстры!». Это просто неправда. Со страницы Wiki о сохранении энергии:

В квантовой механике энергия квантовой системы описывается самосопряженным (эрмитовым) оператором, называемым гамильтонианом, который действует в гильбертовом пространстве (или пространстве волновых функций) системы. Если гамильтониан является независимым от времени оператором, то вероятность появления результата измерения не меняется во времени в процессе эволюции системы. Таким образом, ожидаемое значение энергии также не зависит от времени. Сохранение локальной энергии в квантовой теории поля обеспечивается квантовой теоремой Нётер для тензорного оператора энергии-импульса. Обратите внимание, что из-за отсутствия (универсального) оператора времени в квантовой теории соотношения неопределенностей для времени и энергии не являются фундаментальными, в отличие от принципа неопределенности положения-импульса, и справедливы только в определенных случаях (см. Принцип неопределенности). Энергия в каждый фиксированный момент времени в принципе может быть точно измерена без каких-либо проблем, связанных с соотношениями неопределенности энергии времени. Таким образом, сохранение энергии во времени — четко определенное понятие даже в квантовой механике.

Теперь о вашем вопросе — в квантовой теории поля все частицы моделируются как возбуждения полей. То есть у каждой частицы есть связанное с ней поле. Для частиц, переносящих силы, это знакомые силовые поля, такие как электромагнитное поле. Поля принимают значение везде в пространстве. Теперь, в классической механике, это значение в большинстве случаев было бы равно нулю. Однако, как мы видели выше, основное состояние квантового поля не равно нулю. Таким образом, даже в пустом пространстве (или «свободном пространстве») эти поля имеют очень маленькое значение. Итак, пустое пространство имеет энергию вакуума .

Хороший ответ: тем не менее, недавно были получены убедительные доказательства того, что объяснение того, что He не затвердевает при атмосферном давлении из-за движения нулевой точки, неверно, см . physics.aps.org/articles/v5/75 .
Ох, ладно. Спасибо за ссылку, я не знал об этом.

Ничего не происходит; вакуум полностью инертен.

В квантовой теории поля вакуум — это состояние, содержащее ровно ноль частиц в любой точке пространства и в любое время. Поскольку это собственное состояние числового оператора, в этом нет никакой неопределенности.

Виртуальные частицы не существуют во времени, кроме как в (буквальном) переносном смысле. У них нет ассоциированных состояний, следовательно, нет ожиданий, вероятностей, неопределенностей. См. https://www.physicsforums.com/insights/misconceptions-virtual-particles/

+1 Для вас непопулярный и правильный (на мой взгляд) ответ. Кстати, а можно ваши отличные FAQ по теоретической физике в формате pdf?
@drake: pdf/ Нет. У меня есть FAQ в виде набора файлов ascii и html, и я не знаю, как легко преобразовать его в pdf. Если вы укажете мне на открытое программное обеспечение домена для этого, я был бы рад создать для вас версию в формате pdf.
Благодарю вас! Если я выясню, как их преобразовать, я скажу вам.
Вакуум КХД имеет сложную структуру, по крайней мере, если верна эта статья: en.wikipedia.org/wiki/QCD_vacuum .
@jjcale с первого взгляда, я считаю, что это правильно.
@jjcale: структура вакуума сложна, потому что структура описывается в терминах возмущений свободного поля. Если использовать описание в терминах асимптотических полей (которое в настоящее время недоступно из-за нерешенных инфракрасных проблем КХД), то, очевидно, будет простой вакуум. Обратите внимание, что только асимптотическое описание можно физически проверить с помощью экспериментов по рассеянию.
@Арнольд Ноймайер: А как насчет симметрии, нарушенной вакуумом?
@jjcale: голый вакуум симметричен, и эта симметрия нарушена. Просто физический вакуум имеет пониженную симметрию. Это можно увидеть непосредственно в подходе Эпштейна-Глейзера к калибровочным теориям.

Ваш вопрос был рассмотрен в двух статьях physics.stackexchange: элементарные-частицы-действительно-более-элементарны-чем-квазичастицы и какая-есть-отношение-между-струнной-сетевой-теорией-и-струнной-м- теория

Короче говоря, вакуум не инертная, а динамичная среда. Эффект Казимира экспериментально продемонстрировал, что вакуум действительно является динамической средой. Вакуум как динамическая среда может совершать движения, что и является волной в вакууме. Эти волны представляют собой коллективные возбуждения, соответствующие элементарным частицам в вакууме. Порядок в такой вакуумной среде определяет природу элементарных частиц. Например, если вакуум-среда представляет собой жидкость с квантовыми струнами (с топологическим порядком ), то ее волна будет удовлетворять уравнению Максвелла, которое соответствует фотонам. Концы струн будут соответствовать электронам/кваркам.

Действительно ли эти ссылки относятся к вопросу ОП?
Более важный вопрос заключается в том, отвечает ли содержание ответа на вопрос (что, я полагаю, так и есть). Ответы должны быть ответами без их ссылок, помните.
Если бы вакуум был действительно динамическим, вы могли бы дать ссылку на нетривиальное уравнение движения для состояния вакуума! -- Эффект Казимира не превращает вакуум в динамическую среду, см. mat.univie.ac.at/~neum/physfaq/topics/casimir
Меня всегда удивляло, почему большинство физиков игнорируют работу Джеффа.
(а) Мы можем предположить, что вакуумная среда состоит из набора кубитов, динамика которых определяется квантовым гамильтонианом. Существует множество гамильтонианов, позволяющих придать основному состоянию кубита струнно-жидкостный порядок (или струнно-сетевую конденсацию). Коллективными возбуждениями над конденсированным состоянием струнной сетки могут быть калибровочные бозоны и фермионы. (б) Если вакуум действительно пуст, то эффект Казимира отсутствует. Таким образом, эффект Казимира подразумевает, что вакуум не пуст (т.е. имеет динамические эффекты). (c) Кулоновское взаимодействие действительно, как и эффект Казимира, является эффектом динамического вакуума.