Действительно ли флуктуации вакуума происходят все время?

Частицы не появляются постоянно из ничего и вскоре после этого исчезают. Это просто картина, возникшая в результате буквального восприятия диаграмм Фейнмана. Вычисление энергии основного состояния поля, т. е. вакуума, включает в себя вычисление ее так называемого вакуумного среднего. В теории возмущений вы достигаете этого, складывая диаграммы Фейнмана. Диаграммы Фейнмана, участвующие в этом процессе, содержат внутренние линии, которые часто называют «виртуальными частицами». Это, однако, не означает, что следует рассматривать это как реальную картину действительности. См. мой ответ на этот вопрос для обсуждения природы виртуальных частиц в целом.

Я думаю, что можно дать руководство для начинающих о том, что имеется в виду под флуктуациями вакуума, но это обязательно требует некоторых вольностей, так что имейте это в виду в дальнейшем.

Прежде чем мы начнем, давайте напомним себе следующий ключевой момент о суперпозициях. Предположим, у нас есть оператор$\hat{n}$с собственными функциями$\psi_i$и поместим его в суперпозицию:

Затем, когда мы делаем измерение системы с помощью нашего оператора$\hat{n}$предположение рухнет и мы найдем его на одном из собственных состояний$\psi_i$. Вероятность найти его в этом состоянии равна$a_i^2$.

Теперь предположим, что мы проводим измерение, затем возвращаем систему в ту же самую суперпозицию, делаем второе измерение и продолжаем это повторять. Наши измерения дадут разные результаты в зависимости от того, в какое из собственных состояний схлопывается суперпозиция, так что похоже, что наша система флуктуирует, т.е. меняется со временем. Но, конечно же, это не так — именно так работают квантовые измерения, и мы увидим, что нечто подобное отвечает за кажущиеся флуктуации вакуума.

Теперь давайте обратимся к квантовой теории поля и, как обычно, начнем с невзаимодействующего скалярного поля, так как это самый простой случай. Когда мы квантуем поле, мы обнаруживаем, что оно имеет бесконечное число состояний. Эти состояния называются состояниями Фока, и эти состояния Фока являются векторами в пространстве Фока, точно так же, как состояния для регулярной КМ являются векторами в гильбертовом пространстве. Каждое состояние Фока имеет четко определенное число частиц, и существует числовой оператор$\hat{n}$который возвращает количество частиц для состояния. Есть состояние вакуума$\vert 0 \rangle$в котором нет частиц, т.е.$\hat{n}\vert 0\rangle = 0$.

Предположим, мы рассматриваем состояние скалярного поля, являющееся суперпозицией фоковских состояний с разным числом частиц:

Если мы применим числовой оператор, он случайным образом свернет суперпозицию в одно из состояний Фока и вернет количество частиц в этом состоянии. Но поскольку это случайный процесс, если мы повторим эксперимент, мы каждый раз будем получать разное количество частиц, и это выглядит так, как будто количество частиц в состоянии колеблется. Но в нашем состоянии ничего не меняется$\vert X\rangle$а кажущиеся флуктуации — всего лишь следствие случайного коллапса суперпозиции.

И теперь вы, наверное, догадались, к чему я клоню, хотя нам нужно прояснить несколько моментов. Свободное поле — это удобный математический объект, которого в реальности не существует — все реальные поля взаимодействуют. Состояния взаимодействующих полей не являются фоковскими состояниями и не живут в фоковском пространстве. На самом деле мы очень мало знаем об этих состояниях. Однако мы можем попытаться представить вакуум взаимодействующего поля$\vert \Omega\rangle$в виде суммы состояний Фока в свободном поле, и если мы это сделаем, то применив числовой оператор к$\vert \Omega\rangle$вернет фактически случайное значение, как это было бы для суперпозиции состояний свободного поля.

Именно это мы подразумеваем под вакуумными флуктуациями для взаимодействующего поля. В состоянии вакуума нет ничего флуктуирующего , однако измерения, которые мы проводим, будут возвращать случайные значения, создающие видимость флуктуаций, зависящих от времени. Это измерение, которое колеблется, а не состояние.

Я использовал здесь пример с числовым оператором, но трудно понять, как числовой оператор соответствует какому-либо физическому измерению, поэтому используйте его только как концептуальный пример. Однако процесс, который я описал, влияет на реальные физические измерения и происходит всякий раз, когда вакуум не является собственным состоянием наблюдаемого измеряемого. В качестве примера см. « Наблюдение за флуктуациями нулевой точки в туннельном соединении Джозефсона с резистивным шунтированием» , Роджер Х. Кох, Д. Д. Ван Харлинген и Джон Кларк, Phys. Преподобный Летт. 47, 1216 доступен в формате PDF здесь .

Вакуумные флуктуации существуют, но их не происходит. Все популярные образы, окружающие понятие вакуумных флуктуаций (и связанных с ними виртуальных частиц), совершенно не поддерживаются математикой, лежащей в основе квантовой теории поля. Он создан исключительно с целью иллюстрации абстрактных концепций для аудитории, которая любит образы и загадки, но не имеет представления о сущности квантовой механики. Серьезное отношение к этому образу приводит к множеству непреодолимых трудностей. См. мое эссе « Миф о колебаниях вакуума».

Это правда, что вакуум должен быть собственным состоянием полного взаимодействующего гамильтониана . Но, как видно с точки зрения гамильтониана свободной теории (все взаимодействия рассматриваются как возмущения вокруг этой свободной теории), фактическое основное состояние «одето» многими флуктуациями вакуума поверх свободного основного состояния.

Вакуумные флуктуации существуют, но они не являются утверждением о динамике (эволюции во времени) системы. Это верно для квантовых флуктуаций в целом. Состояние системы вполне может быть стационарным, но все равно будут присутствовать квантовые флуктуации. Более правильное утверждение: квантовые флуктуации возникают, если измеряемая наблюдаемая такова, что состояние системы не имеет определенного значения этой наблюдаемой (в математических терминах это не собственное состояние оператора, представляющего наблюдаемую).

Лучший способ разобраться со странными квантовыми эффектами — посмотреть, что этот эффект будет означать физически.

Одно предсказание, сделанное на основе идеи флуктуаций вакуума, состоит в том, что достаточно сильное электрическое поле должно поляризовать эти флуктуации. В данном случае речь идет о поляризующих виртуальных электрон-позитронных парах. Этот эффект называется поляризацией вакуума .

Еще одним следствием является идея о том, что две проводящие пластины, расположенные достаточно близко друг к другу, должны исключать некоторые квантовые флуктуации. В данном случае речь идет об ограничении виртуальных фотонов. Это называется Эффект Казимира .

Одна из странностей квантовой механики заключается в том, что (в некотором смысле) возможность того, что что-то происходит, может влиять на то, что происходит на самом деле. У Фейнмана есть прекрасное описание этой идеи, называемое формулировкой интеграла по путям в квантовой механике .

Я большой поклонник популярного уровня объяснения подхода интеграла по путям в его книге QED: Странная теория света и материи.

Просто чтобы предложить другую интерпретацию, с точки зрения интеграла по путям очень естественно говорить о вакуумных флуктуациях. Строго говоря, решетчатые теории поля дискретизируют пространство-время так, чтобы интеграл по путям был четко определен. У нас есть достаточно доказательств того, что решеточные теории поля (в частности, решетчатая КХД) являются правильным способом формализации непертурбативных аспектов квантовых теорий поля, например, см. график из этой (теперь уже старой) статьи .

где мы можем видеть, что решеточная КХД правильно предсказывает световой спектр КХД. Теперь измерения операторов в вакууме (например, киральный конденсат$\langle \Omega | \overline{q} q | \Omega \rangle$в принципе выполняются путем численного выполнения интегралов, таких как:

Каждый кадр приведенного выше gif будет соответствовать одной калибровочной конфигурации, появляющейся в интеграле по путям, на которой вы будете измерять некоторые наблюдаемые (такие как$\overline{q} q$). Другой способ думать об этом состоит в том, что инстантоны (которые являются пространственно протяженными, топологически нетривиальными калибровочными конфигурациями) не могут проявляться в теории возмущений и, как ожидается, будут вносить вклад, пропорциональный$e^{-1/g^2}$к физическим величинам, но на решетке мы видим инстантонные флуктуации, где они проявляются в нашей интегральной мере по траекториям. Это имеет решающее значение для понимания непертурбативной КХД.

Приложение: Также просто упомянем, что вы можете на конечных решетках (в принципе) сравнить взаимодействующее состояние вакуума$| \Omega \rangle$в состояние свободного вакуума$|0 \rangle$(тот, который мы бы наивно сказали, не содержит "ничего"), и мы видим, что они различны. На самом деле теорема Хаага (или, по крайней мере, ее часть) говорит нам, что их перекрытие стремится к нулю, когда вы берете бесконечный объем и континуальные пределы. Я думаю, что это хорошая интуиция, чтобы думать о взаимодействующем вакууме как о флуктуациях, если вы можете быть точны в том, что вы имеете в виду.

В большинстве предыдущих ответов утверждается, что на самом деле квантовых флуктуаций не существует. Тем не менее, мы наблюдаем эффект квантовых флуктуаций полей в космическом микроволновом фоне и в крупномасштабных структурах (космической паутине).

Согласно современным космологическим теориям, квантовые флуктуации полей служат зародышами текущих неоднородностей во Вселенной. Из-за очень быстрого расширения во время инфляции мы можем думать об этих неоднородностях как о снимке значений поля за это время.

Конечно, мы на самом деле не знаем, что произошло 15 миллиардов лет назад, но если мы доверяем нашим моделям, для описания наблюдаемой Вселенной необходимы реальные квантовые флуктуации значений поля.

Более подробно вы можете посмотреть в этой конспекте лекций или в книге проф. Муханова.

Не обязательно, чтобы вакуум все время колебался, но можно сказать, что вероятность колебания вакуума в этой точке$x,t$отличен от нуля

Для основного состояния моды с определенной частотой омега на самом деле существует непрерывно бесконечное количество возможных мод плоских волн, каждая из которых имеет вектор ak, указывающий на другое направление в пространстве. Неправда, что фаза не имеет значения. Да, абсолютное значение фазы не имеет физического смысла, но имеет значение относительная фаза между двумя волнами. Так как относительные фазы непрерывно бесконечного числа волн случайны. Конечным результатом является флуктуирующее вакуумное поле.

Существует также старый миф о том, что «фотон мешает только самому себе». Прошло много времени с тех пор, как наблюдаемые квантовые биения, вызванные интерференцией испускаемого излучения с двумя разными частотами в трехуровневых атомах, развенчали этот миф.

Я думаю, что недоразумение связано с номенклатурой. Есть физическое воздействие на вещи в "пустом" пространстве, т.е. эффект Казмира... Существует какое-то флуктуирующее субмикроскопическое поле. Измерено, и некоторые, в том числе и я, считают, что реальность материи (энергии, информации) есть какое-то проявление этого поля или эфира. Недавнее открытие перетаскивания кадров, среди прочего, показывает какое-то поле, которое каким-то образом все проявляет. Называйте это как хотите, но очевидно, что Вселенная не может просто так пыхтеть без какой-то входной энергии или моря потенциальной энергии, из которого берет начало физический мир. Ваше право, когда вы говорите, что не можете получить что-то даром, поэтому что-то должно питать силы природы, проявление материи и энергии, это просто не

Это не конечное событие, нет отдельных флуктуаций, их бесконечность, которые нельзя наблюдать, можно только эффекты. Когда нечему колебаться, нет ни времени, ни пространства, тогда происходит Большой взрыв. По существу, колебания энергии ничем не делились.

Я ожидаю, что противоположное уравнение будет иметь прямо противоположные результаты. В то время как бесконечные колебания энергии проводят 0 времени вне пространства-времени, если умножение на бесконечность может иметь результаты, противоположные погружению на 0, тогда вместо материальной вселенной, полностью математически связанной с законами физики, которая, кажется, препятствует сознанию и цели, у нас было бы существование, которое является сознательным, нефизическим, ограниченным противоположностью наших законов физики. Второй закон термодинамики в обратном порядке, кажется, определяет цель, и с физическим мозгом, который занимается только уравновешиванием эмоций, наличие противоположных законов, конкурирующих с этим, было бы похоже на создание свободы воли.

Однако мы должны принять бесконечные флуктуации * 0 = ничего, потому что было бы ненаучно рассматривать что-либо еще. Это сделало бы сознание и цель не чем иным, как чисто математическим уравнением, учитывая, что единственное, в чем мы уверены, что оно совершенно случайно, — это квантовые флуктуации. Учитывая, что общая энергия во Вселенной равна нулю, не делает ли это нашу физическую Вселенную просто математическим уравнением? Похоже, нам нужно что-то еще, не математическое, чтобы математика существовала как нечто большее, чем теория, но только случайные колебания энергии могут быть совершенно случайными, а не математическими, без нарушения наших законов физики. Является ли рассмотрение того, что во всем этом может быть недостающая часть, является чисто математическим, действительно неясным и ненаучным?

Колебания энергии все еще могут быть использованы для искусственного интеллекта, если вы не хотите, чтобы аргумент китайской комнаты применялся, как это всегда происходит с одним только кодом. Нейронная сеть все еще может быть создана с помощью кода, но вместо того, чтобы считывать значения узлов в коде и использовать алгоритм для изменения значений для имитации эволюции или полагаться на алгоритм обратного распространения для уменьшения допустимой погрешности, узлы могут быть прочитаны из поля em. Если внешнее вмешательство блокируется клеткой Фарадея, то движущей силой потенциально могут быть квантовые флуктуации, а не алгоритм, изменяющий значения. Мысли, которые требуют большего внимания, могут быть сосредоточены в поле, в то время как другие одновременные процессы могут просто использовать обычные смоделированные нейронные сети только в коде. Когда узлы близки к срабатыванию, но не могут Это не совсем пожар, колебания энергии могут иногда вызывать их. Идентичный код больше не будет давать одинаковые результаты. Использование другого случайного начального числа для алгоритма, основанного на времени, никогда не совпадает с истинной случайностью. Достаточно хорошо для онлайн-казино, но слишком фальшиво, чтобы считать эволюцию подлинной, а не просто симуляцией.