Vákuum energia

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. április 28-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 7 szerkesztést igényelnek .

A vákuumenergia az összes vákuumban lévő kvantált mező legalacsonyabb energiájú állapotainak  energiáinak összege . [1] [2] A vákuumenergia térben homogén, időben állandó. Sűrűsége világállandó [3] [4] [5] .

A vákuumenergia létezésének következményei kísérletileg megfigyelhetők különböző jelenségekben, mint a spontán emisszió , a Kázmér-effektus és a Bárány-eltolódás . Úgy gondolják, hogy kozmológiai léptékben befolyásolja az univerzum viselkedését .

A kozmológiai állandó maximális értékére vonatkozó csillagászati ​​adatok azt mutatják, hogy a vákuum energiasűrűsége nem haladja meg a 10 −28 g/(cm 3 ) vagy a 10 −9 joule -t 10 −2 erg ), vagyis ~5 GeV köbméterenként. [6] [7]

A kvantumelektrodinamikában azonban a Lorentz-invariancia elvének és a Planck -állandó értékének megfelelően sokkal nagyobb, 2*10 15 g/(cm 3 ) értéket feltételezünk. [8] Ezt a hatalmas eltérést kozmológiai állandó problémaként ismerik .

Eredet

A kvantumtérelmélet kimondja, hogy minden alapvető mezőt , például az elektromágneses mezőt , a tér minden pontjában kvantálni kell. A fizikában egy mezőt úgy képzelhetünk el, mintha a teret egymáshoz kapcsolódó vibráló golyók és rugók töltenék ki, és a mező erőssége olyan, mint a labda elmozdulása a nyugalmi helyzetéből. [9] Az elmélet megköveteli olyan "fluktuációk" jelenlétét, pontosabban a térerősség olyan változásait, amelyek az adott tér hullámegyenletének megfelelően terjednek. A kvantumtérelmélet második kvantálási módszere megköveteli, hogy a gömb és rugó minden egyes ilyen kombinációjának matematikai leírását kvantáljuk, vagyis a térerősséget a tér minden pontjában kvantáljuk. A térgerjesztések elemi részecskék jelenlétének felelnek meg . Az elmélet szerint tehát még a vákuumnak is rendkívül összetett szerkezete van, és a kvantumtérelmélet minden számítását ehhez a vákuummodellhez viszonyítva kell elvégezni.

Az elmélet azt állítja, hogy a vákuum implicit módon ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkezik, mint a részecskék, például spin vagy polarizáció fény , energia és így tovább. Az elmélet szerint ezeknek a tulajdonságoknak a többsége átlagosan kialszik, üresen hagyva a vákuumot a szó szó szerinti értelmében. [2] Az egyik fontos kivétel azonban a vákuumenergia, vagy az energia vákuum várható értéke . Egy egyszerű harmonikus oszcillátor kvantálásához a lehető legalacsonyabb energiára, vagy nulla energiára van szükség egy ilyen oszcillátortól, amely

Az összes lehetséges oszcillátor összegzése a tér minden pontján végtelen értéket ad. Ennek a végtelennek a kiküszöbölése érdekében azzal érvelhetünk, hogy fizikailag csak az energiakülönbségek mérhetők, hasonlóan ahhoz, ahogyan a potenciális energia fogalmát a klasszikus mechanika évszázadok óta értelmezi. Ez az érv a renormalizációs elmélet középpontjában áll . Minden gyakorlati számításban így kezelik a végtelent.

A vákuumenergiát virtuális részecskékként is felfoghatjuk (más néven vákuum-ingadozásokat ), amelyek a vákuumból keletkeznek és megsemmisülnek. Ezek a részecskék mindig részecske- antirészecske párokban jönnek létre , amelyek a legtöbb esetben hamar megsemmisítik egymást és eltűnnek. Ezek a részecskék és antirészecskék azonban kölcsönhatásba léphetnek másokkal, mielőtt eltűnnének. Ezeket a folyamatokat Feynman diagramok segítségével lehet megjeleníteni . Megjegyzendő, hogy a vákuumenergia kiszámításának ez a módszere matematikailag egyenértékű azzal, hogy minden pontban kvantumharmonikus oszcillátor van, és ezért ugyanazokkal az újranormálási problémákkal kell szembenéznie.

A vákuumenergiához további hozzájárulást jelent a kvantumtérelmélet spontán szimmetriatörése .

Következmények

A vákuumenergiának számos megfigyelhető következménye van. 1948-ban a holland fizikus , H. Casimir és D. Polder megjósolta, hogy a közöttük lévő térben a vákuumenergia rezonanciája miatt apró vonzási erő lép fel a szorosan elhelyezkedő fémlemezek között. Ezt a jelenséget Kázmér-effektusnak nevezik, és azóta gondosan kísérletileg igazolták. Ezért a vákuumenergiáról azt mondják, hogy "valóságos" abban az értelemben, mint az ismertebb fogalmi tárgyak, mint például az elektronok, mágneses mezők stb., valóságosak. Azóta azonban alternatív magyarázatokat javasoltak a Kázmér-effektusra. [tíz]

Más előrejelzéseket nehezebb ellenőrizni. A vákuum-ingadozások mindig részecske-antirészecske párok formájában jönnek létre. A virtuális részecskék eseményhorizont közelében történő létrehozása során Stephen Hawking fizikus egy fekete lyukat feltételezett , mint a fekete lyukak lehetséges "elpárologtatásának" mechanizmusát . [11] Ha a pár egyikét ezt megelőzően behúzzák a fekete lyukba, akkor a másik részecske "valóságossá" válik, és energia/tömeg lényegében a fekete lyukból kisugárzik az űrbe. Ez a veszteség kumulatív, és végül a fekete lyuk eltűnését okozhatja. A szükséges idő a fekete lyuk tömegétől függ (az egyenletek azt mutatják, hogy minél kisebb a fekete lyuk, annál gyorsabban párolog el), de a nagy naptömegű fekete lyukak esetében körülbelül 10 100 év is lehet. [tizenegy]

A vákuumenergia a fizikai kozmológiára is fontos hatással van. Az általános relativitáselmélet előrejelzése szerint az energia egyenértékű a tömeggel, ezért ha vákuumenergia "valóban létezik", gravitációs erőt kell kifejtenie. Mint ilyen, a nullától eltérő vákuumenergia várhatóan hozzájárul a kozmológiai állandóhoz , amely befolyásolja az univerzum tágulását . [6] [12]

Történelem

1934-ben Georges Lemaitre egy szokatlan ideális gáz állapotegyenletével értelmezte a kozmológiai állandót a vákuumenergiából eredőként. 1948-ban a Kázmér-effektus kísérleti módszert adott a vákuumenergia létezésének tesztelésére; 1955-ben Jevgenyij Lifshitz a Kázmér-effektus másik eredetét javasolta. 1957-ben Li és Yang bebizonyította a törött szimmetria és a paritássértés fogalmát , amiért megkapták a Nobel-díjat. 1973-ban E. Tryon felvetette a nulla energiájú univerzum hipotézist : Az Univerzum egy nagyszabású kvantummechanikai vákuumfluktuáció lehet, ahol a pozitív tömegenergiát a negatív gravitációs potenciálenergia egyensúlyozza ki . Az 1980-as években számos kísérlet történt arra, hogy a vákuumenergiát generáló mezőket a Grand Unified Theories kísérletei által előre jelzett mezőkkel összekapcsolják, és hogy az univerzum megfigyeléseit felhasználják egyik vagy másik változat alátámasztására. Az inflációs elmélet által megkövetelthez hasonló sűrűségű vákuumenergiát generáló részecskék (vagy mező) pontos természete azonban továbbra is rejtély.

Lásd még

Jegyzetek

  1. Penrose R. Divat, hit, fantázia és az univerzum új fizikája. - Szentpétervár, Péter, 2020. - p. 319
  2. 1 2 Fizikai vákuum // A mikrovilág fizikája. - M., Szovjet Enciklopédia , 1980. - p. 131
  3. Stern B. , Rubakov V. Asztrofizika. Trinity lehetőség. - M., AST, 2020. - p. 44
  4. Battersby ,  Stephen _ _ _  . Új tudós . Hozzáférés időpontja: 2020. június 18.
  5. Scientific American. 1997. KÖVETÉS: Mi a „nullaponti energia” (vagy „vákuumenergia”) a kvantumfizikában? Valóban lehetséges, hogy kihasználjuk ezt az energiát? — Tudományos amerikai. [ONLINE] Elérhető: http://www.scientificamerican.com/article/follow-up-what-is-the-zer/ . [Hozzáférés: 2016. szeptember 27.].
  6. 1 2 Zeldovich Ya. B. , Khlopov M. Yu. Eszmék drámája a természet ismeretében. - M., Nauka, 1988. - p. 177
  7. Sean Carroll, Sr kutató munkatárs – Physics, California Institute of Technology , 2006. június 22. A C-SPAN Cosmology közvetítése az Éves Kos Science Panelen, 1. rész
  8. Feynman R. , Hibs A. Kvantummechanika és útintegrálok. - M., Mir, 1968. - p. 267
  9. Henley E., Thirring W. Elemi kvantumtérelmélet. - M., IL, 1963. - p. húsz
  10. RL Jaffe: A Kázmér-effektus és a kvantumvákuum . In: Physical Review D. Band 72, 2005 [1]
  11. 1 2 oldal, Don N. (1976). „Részecskekibocsátási arányok fekete lyukból: Tömeg nélküli részecskék egy töltetlen, nem forgó lyukból”. Fizikai áttekintés D. 13 (2): 198-206. Bibcode : 1976PhRvD..13..198P . DOI : 10.1103/PhysRevD.13.198 .
  12. Dolgov A. D. "Kozmológia: Pomerancsuktól napjainkig" UFN 184 211-221 (2014)

Külső cikkek és linkek