Квантовая флуктуация - Quantum fluctuation

3D визуализация квантовых флуктуаций

В квантовая физика, а квантовая флуктуация (или флуктуация состояния вакуума или колебание вакуума) - временное случайное изменение количества энергии в точке в Космос,^[а][2] как предписано Вернер Гейзенберг с принцип неопределенности. Это крошечные случайные колебания значений полей, которые представляют элементарные частицы, такие как электрический и магнитные поля которые представляют электромагнитная сила принесенный фотоны, Поля W и Z которые несут слабая сила, и глюон поля, несущие сильная сила.^[3] Колебания вакуума выглядят как виртуальные частицы, которые всегда создаются парами частица-античастица.^[4] Поскольку они создаются спонтанно без источника энергии, флуктуации вакуума и виртуальные частицы нарушают сохранение энергии, однако это разрешено, потому что они уничтожают друг друга в течение срока, установленного принципом неопределенности, и поэтому не наблюдаются.^[4][3] В принцип неопределенности заявляет о неопределенности в энергия и время может быть связано^[5] ${ displaystyle Delta E , Delta t geq { tfrac {1} {2}} hbar ~}$, где 1/2час ≈ 5,27286×10⁻³⁵ Дж. Это означает, что пары виртуальных частиц с энергией ${ displaystyle Delta E}$ и срок службы короче, чем ${ displaystyle Delta t}$ постоянно создаются и уничтожаются в пустом пространстве. Хотя частицы не поддаются прямому обнаружению, совокупное воздействие этих частиц можно измерить. Например, без квантовых флуктуаций «голая» масса а заряд элементарных частиц бесконечен; от перенормировка Согласно теории, экранирующий эффект облака виртуальных частиц отвечает за конечную массу и заряд элементарных частиц. Еще одно следствие - Эффект Казимира. Одним из первых наблюдений, свидетельствующих о флуктуациях вакуума, было исследование Баранина сдвиг в водороде. В июле 2020 года ученые сообщили, что они впервые измерили, что флуктуации квантового вакуума могут влиять на движение макроскопических объектов человеческого масштаба, измеряя корреляции ниже стандартный квантовый предел между неопределенностью положения / импульса зеркал LIGO и неопределенность количества фотонов / фазы света, который они отражают.^[6][7][8]

Квантовые флуктуации - возможное объяснение происхождения структуры вселенная: По модели экспансивного инфляция, колебания, которые существовали, когда началась инфляция, усилились и легли в основу всей наблюдаемой в настоящее время крупномасштабной структуры. Энергия вакуума также может нести ответственность за текущий ускоряющееся расширение Вселенной (космологическая постоянная ).

Колебания поля

Квантовая флуктуация - это временное появление энергичных частиц из пустого пространства в соответствии с принцип неопределенности. Принцип неопределенности утверждает, что для пары сопряженных переменных, таких как позиция / импульс или энергия / время, невозможно иметь точно определенное значение каждого члена пары одновременно. Например, пара частиц может выскочить из вакуума за очень короткий промежуток времени.

Расширение применимо к «неопределенности во времени» и «неопределенности в энергии» (включая энергия покоя м²). Когда масса очень большая, как макроскопический объект, неопределенности и, следовательно, квантовый эффект становятся очень маленькими, и классическая физика применима.

В квантовая теория поля, поля испытывают квантовые флуктуации. Достаточно четкое различие между квантовыми флуктуациями и тепловые колебания из квантовое поле (по крайней мере, для свободного поля; для взаимодействующих полей, перенормировка существенно усложняет дело). Иллюстрацию этого различия можно увидеть при рассмотрении квантовых и классических полей Клейна-Гордона: квантованное поле Клейна – Гордона в состояние вакуума, мы можем вычислить плотность вероятности того, что мы будем наблюдать конфигурацию ${ Displaystyle { Displaystyle varphi _ {т} (х)}}$ вовремя т с точки зрения его преобразование Фурье ${ Displaystyle { Displaystyle { тильда { varphi}} _ {т} (к)}}$ быть

${ displaystyle rho _ {0} [ varphi _ {t}] = exp { left [- { frac {1} { hbar}} int { frac {d ^ {3} k} { (2 pi) ^ {3}}} { tilde { varphi}} _ {t} ^ {*} (k) { sqrt {| k | ^ {2} + m ^ {2}}} ; { tilde { varphi}} _ {t} (k) right]} ~.}$

Напротив, для классическое поле Клейна – Гордона при ненулевой температуре Плотность вероятности Гиббса что мы наблюдаем конфигурацию ${ Displaystyle { Displaystyle varphi _ {т} (х)}}$ вовремя ${ displaystyle t}$ является

${ displaystyle rho _ {E} [ varphi _ {t}] = exp {[-H [ varphi _ {t}] / k _ { mathrm {B}} T]} = exp { left [- { frac {1} {k _ { mathrm {B}} T}} int { frac {d ^ {3} k} {(2 pi) ^ {3}}} { tilde { varphi}} _ {t} ^ {*} (k) { scriptstyle { frac {1} {2}}} (| k | ^ {2} + m ^ {2}) ; { tilde { varphi}} _ {t} (k) right]} ~.}$

Эти распределения вероятностей показывают, что возможны все возможные конфигурации поля, при этом амплитуда квантовых флуктуаций определяется Постоянная планка ${ displaystyle hbar}$, так же как амплитуда тепловых флуктуаций контролируется ${ Displaystyle к _ { mathrm {B}} T}$, где k_B является Постоянная Больцмана. Обратите внимание, что следующие три пункта тесно связаны:

1. Постоянная Планка имеет единицы действие (джоуль-секунды) вместо единиц энергии (джоулей),
2. квантовое ядро ${ Displaystyle { sqrt {| к | ^ {2} + м ^ {2} ,}} ,}$ вместо того ${ displaystyle { scriptstyle { frac {1} {2}}} (| k | ^ {2} + m ^ {2})}$ (квантовое ядро ​​нелокально от классического тепловое ядро точки зрения, но она локальна в том смысле, что не позволяет передавать сигналы),^{[нужна цитата ]}
3. состояние квантового вакуума Инвариант Лоренца (хотя это явно не указано выше), в то время как классическое тепловое состояние - нет (классическая динамика является лоренц-инвариантной, но плотность вероятности Гиббса не является лоренц-инвариантным начальным условием).

Мы можем построить классическое непрерывное случайное поле которое имеет ту же плотность вероятности, что и состояние квантового вакуума, так что принципиальным отличием от квантовой теории поля является теория измерения (измерение в квантовой теории отличается от измерения для классического непрерывного случайного поля тем, что классические измерения всегда взаимно совместимы - в терминах квантовой механики они всегда коммутируют). Квантовые эффекты, которые являются следствием только квантовых флуктуаций, а не тонкостей несовместимости измерений, в качестве альтернативы могут быть моделями классических непрерывных случайных полей.

Смотрите также

• Эффект Казимира
• Космический микроволновый фон
• Квантовый отжиг
• Квантовая пена
• Виртуальная частица
• Виртуальная черная дыра
• Стохастическая интерпретация
• Zitterbewegung

Сноски

использованная литература