Энергия вакуума — сумма энергий наинизших энергетических состояний всех квантованных полей в вакууме . Энергия вакуума однородна в пространстве и постоянна во времени. Плотность её является .

Последствия существования энергии вакуума можно экспериментально наблюдать в различных явлениях, таких как спонтанное излучение , эффект Казимира и лэмбовский сдвиг . Также считается, что она влияет на поведение Вселенной в космологических масштабах .

Астрономические данные о максимальной величине космологической постоянной свидетельствуют, что плотность энергии вакуума не превышает 10 ⁻²⁸ г/(см ³ ) или 10 ⁻⁹ джоулей 10 ⁻² эрг ), или ~5 ГэВ на кубический метр .

Однако, в квантовой электродинамике , в соответствии с принципом Лоренц-инвариантности и с величиной постоянной Планка , предполагают гораздо большее значение 2*10 ¹⁵ г/(см ³ ) . Это огромное расхождение известно как проблема космологической постоянной .

Происхождение

Квантовая теория поля утверждает, что все фундаментальные поля , такие как электромагнитное поле , должны быть квантованы в каждой точке пространства. Поле в физике можно представить так, как если бы пространство было заполнено взаимосвязанными вибрирующими шарами и пружинами, а сила поля подобна смещению шара из его положения покоя . Теория требует наличия таких «колебаний» или, точнее, таких изменений напряжённости поля, которые бы распространялись в соответствии с волновым уравнением конкретного рассматриваемого поля. Метод вторичного квантования квантовой теории поля требует, чтобы математическое описание каждой такой комбинации шара и пружины было квантовано, то есть чтобы напряжённость поля была квантована в каждой точке пространства. Возбуждения поля соответствуют наличию элементарных частиц . Таким образом, согласно теории, даже вакуум имеет чрезвычайно сложную структуру, и все вычисления квантовой теории поля должны выполняться применительно к этой модели вакуума.

Теория считает, что вакуум неявно обладает теми же свойствами, что и частица, такими как спин или поляризация в случае света , энергии и так далее. Согласно теории, большинство из этих свойств в среднем сводятся на нет, оставляя вакуум пустым в буквальном смысле этого слова . Однако одним важным исключением является энергия вакуума или вакуумное ожидаемое значение энергии. Квантование простого гармонического генератора требует минимально возможной энергии, или нулевой энергии такого осциллятора, которая будет

${\displaystyle {E}={\frac {1}{2}}h\nu .}$

Суммирование по всем возможным осцилляторам во всех точках пространства даёт бесконечную величину. Чтобы устранить эту бесконечность, можно утверждать, что физически измеримы только различия в энергии, подобно тому, как понятие потенциальной энергии рассматривалось в классической механике на протяжении веков. Этот аргумент лежит в основе теории перенормировки . Во всех практических расчётах именно так обрабатывается бесконечность.

Энергию вакуума также можно рассматривать в терминах виртуальных частиц (также известных как вакуумные флуктуации ), которые создаются и уничтожаются из вакуума. Эти частицы всегда создаются в парах частица- античастица , которые в большинстве случаев вскоре аннигилируют друг с другом и исчезают. Однако эти частицы и античастицы могут взаимодействовать с другими, прежде чем исчезнуть. Эти процессы можно отобразить с помощью диаграмм Фейнмана . Обратите внимание, что этот метод вычисления энергии вакуума математически эквивалентен наличию квантового гармонического осциллятора в каждой точке и, следовательно, сталкивается с теми же проблемами перенормировки.

Дополнительный вклад в энергию вакуума вносит спонтанное нарушение симметрии в квантовой теории поля .

Последствия

Вакуумная энергия имеет ряд наблюдаемых последствий. В 1948 году голландский физик Х. Казимир и предсказали существование крошечной силы притяжения между близко расположенными металлическими пластинами из-за резонанса в энергии вакуума в пространстве между ними. Это явление известно как эффект Казимира и с тех пор было тщательно проверено экспериментально. Поэтому считается, что энергия вакуума «реальна» в том же смысле, что и более знакомые концептуальные объекты, такие как электроны, магнитные поля и т. д. реальны. Однако с тех пор были предложены альтернативные объяснения эффекта Казимира .

Другие прогнозы труднее проверить. Вакуумные флуктуации всегда создаются в виде пар частица-античастица. Созданием этих виртуальных частиц вблизи горизонта событий чёрных дыр физик Стивен Хокинг объяснил механизм их возможного «испарения» . Если одна из пары втягивается в чёрную дыру до этого (после возникновения пары и до обратного явления – аннигиляции), то другая частица становится «реальной», и энергия/масса излучается в пространство из чёрной дыры. Эта потеря является кумулятивной и со временем может привести к исчезновению чёрной дыры. Требуемое время зависит от массы чёрной дыры (уравнения показывают, что чем меньше чёрная дыра, тем быстрее она испаряется) но может быть порядка 10 ¹⁰⁰ лет для больших чёрных дыр солнечной массы .

Энергия вакуума также имеет важные последствия для физической космологии . Общая теория относительности предсказывает, что энергия эквивалентна массе, и, следовательно, если энергия вакуума «действительно существует», она должна оказывать гравитационную силу. По существу, ожидается, что ненулевая энергия вакуума внесёт вклад в космологическую постоянную , которая влияет на расширение Вселенной .

История

В 1934 году Жорж Леметр использовал уравнение состояния необычного идеального газа для интерпретации космологической постоянной как обусловленной энергией вакуума. В 1948 году эффект Казимира предоставил экспериментальный метод для проверки существования энергии вакуума; в 1955 г. Евгений Лифшиц предложил другое происхождение эффекта Казимира. В 1957 году, Ли и Ян доказали концепции нарушенной симметрии и нарушения чётности , за что они получили Нобелевскую премию. В 1973 году, Э. Трайон предложил гипотезу Вселенной с нулевой энергией : Вселенная может быть крупномасштабной квантово-механической флуктуацией вакуума, где положительная масса -энергия уравновешивается отрицательной гравитационной потенциальной энергией . В течение 1980-х годов было предпринято много попыток связать поля, генерирующие энергию вакуума, с конкретными полями, которые были предсказаны попытками теорий Великого объединения и использовать наблюдения за Вселенной для подтверждения той или иной версии. Однако точная природа частиц (или поля), которые генерируют энергию вакуума с плотностью, подобной той, которая требуется теорией инфляции, остаётся загадкой.

См. также

• Тёмная энергия
• Ложный вакуум
• Вакуум квантовой теории поля

Примечания

Внешние статьи и ссылки

• Free PDF copy of by and Berndt Muller (1985); ISBN 3-87144-889-3 .
• Saunders, S., & Brown, H. R. (1991). The Philosophy of Vacuum . Oxford [England]: Clarendon Press.
• Poincaré Seminar, Duplantier, B., & Rivasseau, V. (2003). «Poincaré Seminar 2002: vacuum energy-renormalization». Progress in mathematical physics , v. 30. Basel: Birkhäuser Verlag.
• 2004, NASA Glenn Technical Reports Server, (pdf, 57 pages, Retrieved 2013-09-18).