Виды энергии :
	Механическая	Потенциальная Кинетическая
‹ ♦ ›	Внутренняя
	Электромагнитная	Электрическая Магнитная
	Химическая
	Ядерная
${\displaystyle G}$	Гравитационная
${\displaystyle \emptyset }$	Вакуума
Гипотетические:
${\displaystyle }$	Тёмная
См. также: Закон сохранения энергии

Нулевы́е колебáния — флуктуации квантовой системы в основном состоянии , наинизшем по энергии, обязанные своим существованием принципу неопределённости .

Впервые были обнаружены при квантовании гармонических осцилляторов, и обычно термин используется по отношению к системам, представимым как их совокупность, например, к свободным квантовым полям . Различают нулевые колебания вакуума и нулевые колебания атомов конденсированной среды , устанавливающиеся после «выморожения» нормальных тепловых колебаний кристаллической решётки . Таким образом, энергия нулевых колебаний есть ни что иное, как энергия основного состояния системы. Энергия нулевого колебания одного осциллятора равна

${\displaystyle E_{0}={\frac {h\nu }{2}},}$

где ${\displaystyle h}$ — постоянная Планка , ${\displaystyle \nu }$ — частота нулевого колебания.

Этой же формулой определяется и энергия нулевых колебаний физического вакуума , которая называется нулевой энергией . Формально суммарная энергия нулевых колебаний конечного объёма физического вакуума бесконечна , однако с точки зрения квантовой механики её практически невозможно использовать, хотя она приводит к тонким эффектам типа лэмбовского сдвига и эффекта Казимира .

Нулевые колебания электромагнитного поля

Вакуум в современной квантовой теории поля означает основное, наинизшее состояние полей, описывающих соответствующие элементарные частицы . В квантовой электродинамике различают вакуум электромагнитного поля и вакуум . Из соотношения неопределённостей следует, что в состоянии вакуума поля совершают нулевые колебания , которые рассматриваются как состояния с виртуально возникающими парами частица — античастица .

Математически это явление для электромагнитного поля может быть представлено как совокупность независимых гармонических осцилляторов со всеми возможными значениями волнового вектора . При этом напряжённость электрического поля играет роль скорости, а напряжённость магнитного поля — координаты. Из квантовой механики следует, что осциллятор может находиться только в состояниях с дискретными значениями энергии:

${\displaystyle W=\sum _{k}\left(n_{k}+{\frac {1}{2}}\right)\hbar \omega _{k},}$

где ${\displaystyle n_{k}}$ — число фотонов с волновым вектором ${\displaystyle k}$ . В основном, наинизшем, состоянии электромагнитного поля фотоны отсутствуют, то есть ${\displaystyle n_{k}=0.}$ При этом энергия электромагнитного поля в вакуумном состоянии оказывается бесконечно большой величиной

${\displaystyle W_{0}={\frac {\hbar }{2}}\sum _{k}\omega _{k}.}$

В квантовой электродинамике переходят к отсчёту энергии не с нуля, а с нулевого уровня вакуумного состояния электромагнитного поля. Средние значения электрического и магнитного полей в вакуумном состоянии равны нулю, но средние значения квадратов этих величин больше нуля.

В 2019 году были проведены прямые измерения нулевых колебаний электромагнитного поля в нелинейном кристалле при прохождении через него лазерного излучения .

В экспериментах

Наличие нулевых колебаний электромагнитного поля вакуума приводит к эффектам и следствиям, которые можно наблюдать в эксперименте . Наиболее известными проявлениями нулевых колебаний электромагнитного поля вакуума являются эффект Казимира , спонтанное излучение , а также лэмбовский сдвиг .

См. также

• Нулевая энергия

Примечания

Литература

• Главный редактор Прохоров А. М. . Физическая энциклопедия . — М. : Советская энциклопедия . ( от 23 апреля 2015 на Wayback Machine )

• Ципенюк Ю. М. // УФН . — 2012. — Т. 182 . — С. 855—867 . — doi : .