Кванттық вакуум энергиясы және космологиялық тұрақсыздық

Кіріспе

Ғарыштағы бар фондық энергия
Вакуум энергиясына қатысты мақалалар

Вакуум энергиясы – бүкіл Ғаламда кеңістікте кездесетін негізгі фондық энергия. Вакуум энергиясы – кванттық вакуумға байланысты нөлдік нүкте энергиясының ерекше түрі. Вакуум энергиясының әсерін әртүрлі құбылыстарда, мысалы, спонтанды шығарылымда, Казимир эффектісінде және Ламб жылғаюында эксперименталды түрде байқауға болады, және ол Ғаламның космологиялық масштабтағы қалып-құлқына әсер ететіні айтылады. Космологиялық тұрақтының жоғарғы шегін қолдана отырып, бос кеңістіктің вакуум энергиясы 10−9 джоуль (10−2 эрг) немесе шамамен 5 ГэВ/м³ деп есептелді. Дегенмен, кванттық электродинамикада Лоренц коварианттылығы принципімен және Планк тұрақтысының мәнімен сәйкестік, текше метріне 10¹¹³ джоульдей әлдеқайда үлкен мәнді көрсетеді. Бұл зор қайшылық космологиялық тұрақты мәселесі немесе, көбінесе, "вакуумдық катастрофа" деп аталады.

Шығу тегі

Кванттық өріс теориясы барлық негізгі өрістердің, мысалы электромагниттік өріс сияқты, кеңістіктегі әрбір нүктеде квантталуы керек екенін айтады. Физикадағы өріс, кеңістік өзара байланысқан дірілдейтін шарлар мен серіппелермен толтырылғандай көрінеді, ал өрістің күші шардың тыныш күйден ауытқуына ұқсас. Теория талап етеді, осындай өрістің күшінің өзгеруі, яғни "дірілдеуі", тиісті толқын теңдеуіне сәйкес таралуы керек. Кванттық өріс теориясының екінші квантталуы, әрбір шар-серіппе жұбының квантталуын, яғни өрістің күшінің кеңістіктегі әрбір нүктеде квантталуын талап етеді. Канондық түрде, егер кеңістіктегі әрбір нүктедегі өріс қарапайым гармоникалық осциллятор болса, оның квантталуы әрбір нүктеде кванттық гармоникалық осцилляторды орналастырады. Өрістің қоздырылуы бөлшектер физикасының элементар бөлшектеріне сәйкес келеді. Осылайша, теорияға сәйкес, тіпті вакуум да өте күрделі құрылымға ие, және кванттық өріс теориясының барлық есептеулері осы вакуум моделіне қатысты жасалуы керек. Теория вакуумның бөлшектер сияқты спин немесе поляризация (жарық жағдайында), энергия және т.б. сияқты қасиеттері бар екенін қарастырады. Теорияға сәйкес, осы қасиеттердің көпшілігі орташа есеппен өтезді, вакуумды сөздің тура мағынасында бос қалдырады. Бірақ, маңызды ерекшелік – вакуум энергиясы немесе энергияның вакуумдық күтілетін мәні. Қарапайым гармоникалық осцилляторды кванттау, осындай осциллятордың ең төменгі мүмкін энергиясын, яғни нөлдік нүктелік энергиясын қажет етеді. Барлық мүмкін осцилляторларды кеңістіктегі барлық нүктелерде қосу, шексіз шама береді. Бұл шексіздікті жою үшін, энергияның айырмасы ғана физикалық өлшенетін шама екенін айтуға болады, дәл сияқты, әлеуетті энергия тұжырымы классикалық механикада ғасырлар бойы қарастырылып келді. Осы аргумент қайта нормаландыру теориясының негізі болып табылады. Барлық практикалық есептеулерде шексіздік осылай өңделеді. Вакуум энергиясын вакуумнан туындайтын және жойылатын виртуалды бөлшектер (вакуумдық флуктуациялар деп те аталады) тұрғысынан қарастыруға болады. Бұл бөлшектер әрқашан бөлшек-антибөлшек жұптары түрінде вакуумнан пайда болады, және көп жағдайда бір-бірін тез жойып, жоғалады. Дегенмен, бұл бөлшектер мен антибөлшектер жоғалудан бұрын басқаларымен өзара әрекеттесе алады, бұл процесті Фейнман диаграммаларын қолдану арқылы бейнелеуге болады. Вакуум энергиясын есептеудің бұл әдісі математикалық жағынан әрбір нүктеде кванттық гармоникалық осциллятордың болуымен тең, сондықтан да қайта нормалаудың сол проблемаларына ұшырайды. Вакуум энергиясына қосымша үлестер кванттық өріс теориясындағы спонтанды симметрия бұзудан туындайды.

Quantum field theory states that all fundamental fields, such as the electromagnetic field, must be quantized at each and every point in space. A field in physics may be envisioned as if space were filled with interconnected vibrating balls and springs, and the strength of the field is like the displacement of a ball from its rest position. The theory requires "vibrations" in, or more accurately changes in the strength of, such a field to propagate as per the appropriate wave equation for the particular field in question. The second quantization of quantum field theory requires that each such ball–spring combination be quantized, that is, that the strength of the field be quantized at each point in space. Canonically, if the field at each point in space is a simple harmonic oscillator, its quantization places a quantum harmonic oscillator at each point. Excitations of the field correspond to the elementary particles of particle physics. Thus, according to the theory, even the vacuum has a vastly complex structure and all calculations of quantum field theory must be made in relation to this model of the vacuum. The theory considers vacuum to implicitly have the same properties as a particle, such as spin or polarization in the case of light, energy, and so on. According to the theory, most of these properties cancel out on average leaving the vacuum empty in the literal sense of the word. One important exception, however, is the vacuum energy or the vacuum expectation value of the energy. The quantization of a simple harmonic oscillator requires the lowest possible energy, or zero point energy of such an oscillator to be

Summing over all possible oscillators at all points in space gives an infinite quantity. To remove this infinity, one may argue that only differences in energy are physically measurable, much as the concept of potential energy has been treated in classical mechanics for centuries. This argument is the underpinning of the theory of renormalization. In all practical calculations, this is how the infinity is handled. Vacuum energy can also be thought of in terms of virtual particles (also known as vacuum fluctuations) which are created and destroyed out of the vacuum. These particles are always created out of the vacuum in particle–antiparticle pairs, which in most cases shortly annihilate each other and disappear. However, these particles and antiparticles may interact with others before disappearing, a process which can be mapped using Feynman diagrams. Note that this method of computing vacuum energy is mathematically equivalent to having a quantum harmonic oscillator at each point and, therefore, suffers the same renormalization problems. Additional contributions to the vacuum energy come from spontaneous symmetry breaking in quantum field theory.

Салдары

Вакуум энергиясының бірнеше салдары бар. 1948 жылы голланд физиктері Хендрик Б. Г. Казимир мен Дирк Полдер олардың арасындағы кеңістіктегі вакуум энергиясының резонанстарына байланысты, жақын орналасқан металл пластиналар арасындағы шағын тартым күшінің бар екенін болжады. Бұл қазір Казимир эффектісі деп аталады және одан бері кеңінен эксперименттік түрде расталды. Сондықтан вакуум энергиясы, электрон, магниттік өрістер сияқты жақсы таныс ұғымдық нысандардың "нақты" екендігі сияқты, "нақты" деп саналады. Дегенмен, Казимир эффектісіне қатысты басқа түсіндірмелер де ұсынылды. Басқа болжамдарды тексеру қиынырақ. Вакуумдық флуктуациялар әрқашан бөлшек-антибөлшек жұптары түрінде пайда болады. Физик Стивен Хокинг болжағандай, қара тесіктің оқиғалар горизонтына жақын жерде осы виртуалды бөлшектердің пайда болуы, қара тесіктердің "булануына" себеп болатын механизм болып табылады. Егер жұптың бірі бұрын қара тесікке тартылса, онда екінші бөлшек "нақты" болады және энергия/масса қара тесіктен кеңістікке сәулеленеді. Бұл жоғалту жинақталады және уақыт өте келе қара тесіктің жоғалуына әкелуі мүмкін. Қажетті уақыт қара тесіктің массасына байланысты (есептеулер қара тесік неғұрлым кішкентай болса, соғұрлым жылдам буланатынын көрсетеді), бірақ үлкен күн массасы бар қара тесіктер үшін 1060 жылға жуық болуы мүмкін. G мәнін анықтау – оның нақты мәнін өлшеу үшін жылдар бойы көптеген эксперименттер жүргізілген, кең ауқымды зерттеу тақырыбы болды. Бұл эксперименттер көбінесе жоғары дәлдікті техниканы қолдана отырып, G-нің дәл өлшемдерін алу және оның нақты мәні бойынша консенсусқа келуді мақсат етті. Алайда, осы эксперименттердің нәтижелері маңызды қайшылықтарды көрсетті, бұл G мәні туралы нақты қорытындыға келуді қиындатты. Бұл консенсус жоқтығы ғалымдарды озатты және баламалы түсіндірмелерді қажет етті. Вакуум энергиясының өріс күшіне қатысты теориялық болжамдарды тексеру үшін теориялық зерттеуде Айдың орналасуын қамтитын нақты эксперименттік жағдайлар ұсынылады. Бұл жағдайлар G-нің дәл өлшемдерінде дәйекті нәтижелерге қол жеткізуге бағытталған. Мұндай эксперименттердің басты мақсаты – ұсынылған теориялық негіздемені жоққа шығару немесе растау болып табылады. Вакуум энергиясының өріс күшін зерттеудің маңыздылығы – гравитация және оның өзара әрекеттесуі туралы түсінігімізді революциялық түрде өзгерту әлеуетінде жатыр.

Vacuum energy has a number of consequences. In 1948, Dutch physicists Hendrik B. G. Casimir and Dirk Polder predicted the existence of a tiny attractive force between closely placed metal plates due to resonances in the vacuum energy in the space between them. This is now known as the Casimir effect and has since been extensively experimentally verified. It is therefore believed that the vacuum energy is "real" in the same sense that more familiar conceptual objects such as electrons, magnetic fields, etc., are real. However, alternative explanations for the Casimir effect have since been proposed. Other predictions are harder to verify. Vacuum fluctuations are always created as particle–antiparticle pairs. The creation of these virtual particles near the event horizon of a black hole has been hypothesized by physicist Stephen Hawking to be a mechanism for the eventual "evaporation" of black holes. If one of the pair is pulled into the black hole before this, then the other particle becomes "real" and energy/mass is essentially radiated into space from the black hole. This loss is cumulative and could result in the black hole's disappearance over time. The time required is dependent on the mass of the black hole (the equations indicate that the smaller the black hole, the more rapidly it evaporates) but could be on the order of 1060 years for large solar mass black holes. Determination of the value of G has been a topic of extensive research, with numerous experiments conducted over the years in an attempt to measure its precise value. These experiments, often employing high precision techniques, have aimed to provide accurate measurements of G and establish a consensus on its exact value. However, the outcomes of these experiments have shown significant inconsistencies, making it difficult to reach a definitive conclusion regarding the value of G. This lack of consensus has puzzled scientists and called for alternative explanations. To test the theoretical predictions regarding the field strength of vacuum energy, specific experimental conditions involving the position of the moon are recommended in the theoretical study. These conditions aim to achieve consistent outcomes in precision measurements of G. The ultimate goal of such experiments is to either falsify or provide confirmations to the proposed theoretical framework. The significance of exploring the field strength of vacuum energy lies in its potential to revolutionize our understanding of gravity and its interactions.

Тарих

1934 жылы Жорж Леметр космологиялық тұрақтыны вакуумдық энергияға байланысты түсіндіру үшін ерекше толық сұйықтық күй теңдеуін пайдаланды. 1948 жылы Казимир эффектісі вакуумдық энергияның бар екенін тексеруге арналған тәжірибелік әдіс ұсынды; алайда, 1955 жылы Евгений Лифшиц Казимир эффектісінің басқа себебін ұсынды. 1957 жылы Ли мен Янг бұзылған симметрия және паритет бұзу концепцияларын дәлелдеді, олар осыған Нобель сыйлығын алды. 1973 жылы Эдвард Трайон нөлдік энергиялы әлем гипотезасын ұсынды: Әлем ірі масштабты кванттық-механикалық вакуумдық флуктуация болуы мүмкін, онда оң масса-энергия теріс гравитациялық потенциалдық энергиямен теңестіріледі. 1980 жылдары вакуумдық энергияны тудыратын өрістерді, Ұлы біріктіру теориясының болжамдарымен сәйкес келетін нақты өрістермен байланыстыруға және Әлемді байқау арқылы олардың бірін растауға көптеген әрекеттер жасалды. Дегенмен, инфляция теориясы қажет ететін тығыздыққа ие вакуумдық энергияны тудыратын бөлшектердің (немесе өрістердің) нақты табиғаты әлі де құпия болып қалуда.

Фикциядағы вакуум энергиясы

Артур Кларктың "Алыстағы Жердің әндері" романында осы теорияның элементтеріне негізделген "кванттық жетекпен" қуатталатын жұлдыздық кеме бейнеленген. Ғылыми-фантастикалық телесериал/фильм франшизасы "Жұлдыз қақпасы"нда нөлдік нүкте модулі (ZPM) – микропараллель әлемнен нөлдік нүкте энергиясын алатын қуат көзі. "Жұлдыздар жолы: Терең ғарыш 9 Техникалық нұсқаулық" кітабында, әдепкі кванттық торпеданың жұмыс принципі сипатталған. Бұл ойдан туған қаруда антиматериялық реакция вакуумда көпөлшемді мембрана құру үшін қолданылады, ол ыдырағанда оны жасауға кеткен энергиядан артық энергияны бөліп шығарады. Жетіспейтін энергия вакуумнан алынады. Әдетте, жарылыстан бөлінетін энергия бастапқы антиматерия-материяның жойылған энергиясынан екі есе көп болады. Half-Life 2 видео ойынында, көбінесе "гравитациялық қару" деп танылатын зат "нөлдік нүктелік өріс энергиясын манипулятор" және "нөлдік нүктелік энергиялық өріс манипуляторы" деп аталады.