В любом непрофессиональном описании вакуумных флуктуаций в квантовой теории поля флуктуации описываются как пара виртуальных частиц, спонтанно появляющихся и затем исчезающих в течение некоторого короткого времени, определяемого энергиями частиц и принципом неопределенности.
Однако это, по-видимому, не связано с флуктуациями вакуума, как их понимают все квантовые теоретики поля, которых я знаю. Они рассматривают флуктуации в вакуумном среднем значении поля просто как явление, при котором, хотя VEV может быть нулевым, дисперсия таковым не является. Популярная метафора вакуума как кипящего моря недолговечных виртуальных частиц нигде в этом описании не встречается.
Мой вопрос: откуда взялась метафора пары виртуальных частиц ? Происходит ли оно из трактовки КТП-вакуума, которая сейчас вышла из моды, является ли это аналогией, введенной конкретным автором, или это просто беспочвенное представление, возникшее в воспаленном уме какого-нибудь научно-популярного писателя?
Этот вопрос тесно связан с существованием «виртуальных частиц», неуловимых посредников в столкновениях частиц, чьи «пути» отображаются волнистыми линиями на диаграммах Фейнмана. Текущее мнение большинства о них, похоже, выражено, например, в блоге Штрасслера : « Диаграмма Фейнмана на самом деле является вычислительным инструментом, а не изображением физического явления », см. также Нужны ли нам виртуальные частицы? по физике СЭ. Так было не всегда: в своей первой статье о диаграммах Фейнман четко овеществляет « эффект обмена одним [виртуальным] квантом между двумя электронами » (см .). Отсюда небольшой шаг до интерпретации диаграмм с двумя волнистыми ребрами, соединяющими две вершины, как «рождения виртуальных пар в вакууме» (поскольку исходящие ребра, представляющие наблюдаемые частицы, отсутствуют).
Фактически, их идея предшествует Фейнману. «Виртуальные колебания» появились в статье Бора-Крамерса-Слейтера 1924 года еще до появления современной квантовой механики и, по-видимому, вдохновили Гейзенберга на принцип неопределенности. В письме 1933 года к Бору Дирак предсказал поляризацию вакуума в рамках своей теории отрицательного моря с дырками (позитронами), предшественницы КЭД. Как написано в статье Scholarpedia (поддержанной Швебером, ведущим специалистом по истории QFT): «В своем письме Дирак кратко изложил физику, связанную с поляризацией вакуума. Физическая картина, которую он набросал... была разработана Юлингом (1935) и Вайскопфом (1936). В квантовой электродинамике вакуум не является пустой средой, но флуктуации нулевой точки производят виртуальные электрон-позитронные пары. Они ответственны за превращение вакуума в диэлектрическую среду, которую можно охарактеризовать диэлектрической проницаемостью, . Эта диэлектрическая проницаемость зависит от расстояния: когда голый заряд при введении в вакуум заряд, наблюдаемый на расстоянии R, равен , то есть наблюдаемый заряд уменьшается на величину . Юлинг определил, что чем больше R, тем сильнее происходит экранирование… » Эта картина «наряда» голого заряда была одним из ключевых открытий, приведших к открытию перенормировки.
Затем рождение виртуальных пар, на этот раз фотонов, вновь появилось в связи с излучением Хокинга от черных дыр. Хотя в своей первоначальной статье 1974 года Хокинг не упоминает их явно, в его последующей работе 1976 года « Нарушение предсказуемости в гравитационном коллапсе » дается метафорическая картина, воспроизведенная во многих популярных отчетах: дыры: Черная дыра создает частицы парами, причем одна частица всегда падает в дыру, а другая, возможно, уходит в бесконечность ». Идея остается актуальной и сегодня, несмотря на хорошо известные способы получения результата Хокинга без использования виртуальных пар. Например, статья Парентани под названием«От флуктуаций вакуума на горизонте событий к корреляциям на больших расстояниях» была опубликована в ведущем журнале Physical Review в 2010 году.
Проведу историческую аналогию. Нет сомнений в том, что раннее развитие электродинамики было обусловлено яркими представлениями об эфире. Янг разработал свой эксперимент с двумя щелями, чтобы имитировать волны в построенном им водяном «резервуаре с пульсацией» (см. Как Юнг провел свой эксперимент с двумя щелями? ), Фарадей рассматривал свои «силовые линии» как реальные объекты, Максвелл намеревался «объяснить электромагнитные поля» . явления посредством механического воздействия, передаваемого от одного тела к другому посредством среды", и Герц полагал, что улавливает колебания эфира своими антеннами. Затем последовал эксперимент Майкельсона-Морли, который не смог произвести ожидаемый эфирный ветер. В ответ Фицджеральд, Лармор и Лоренц придумали специальные приспособления для сокращения длины и времени. расширение, которое превратило эфир из почти видимого и осязаемого в вечно неуловимого призрака. Легкость, с которой Эйнштейн отправил его, во многом была связана с тем, что к его времени эфир перестал быть той полезной эвристикой, какой он был в 19 веке.
Подобная динамика может иметь место и с виртуальными частицами (и символически не совсем пустой КЭД-вакуум является очевидным преемником светоносного эфира), но если излучение Хокинга является их экспериментом Майкельсона-Морли, то его результат был другим. Однако, в отличие от экспериментов Резерфорда для атомов или экспериментов Фридмана-Кендалла-Тейлора для кварков (см. Можно ли считать кварки реальными и элементарными? ), горизонты событий черных дыр точно не соответствуют контролируемым лабораторным условиям. Виртуальные частицы вряд ли будут приняты, если не будут найдены более прямые и менее экстравагантные способы их «актуализации», и, возможно, решение об этом еще не принято.
Дану