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?)
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
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 .
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/
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.
Фабиан
Марк М