Энергия вакуума: фундаментальная энергия пространства во Вселенной. Казимир эффект, спонтанное излучение, космологическая постоянная и квантовая электродинамика.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Фонная энергия, существующая в пространстве
Статьи, связанные с энергией вакуума
Background energy existing in space
articles related to vacuum energy
Энергия вакуума – это фундаментальная фоновая энергия, существующая в пространстве во всей Вселенной. Энергия вакуума является частным случаем энергии нулевой точки, относящимся к квантовому вакууму. Эффекты энергии вакуума могут быть экспериментально обнаружены в различных явлениях, таких как спонтанное излучение, эффект Казимира и сдвиг Лэмба, и, как считается, влияют на поведение Вселенной в космологических масштабах. Используя верхнюю границу космологической постоянной, энергия вакуума свободного пространства была оценена в 10−9 джоулей (10−2 эрг), или примерно 5 ГэВ на кубический метр. Однако, в квантовой электродинамике, согласованность с принципом ковариантности Лоренца и с величиной постоянной Планка указывает на гораздо большее значение – 10113 джоулей на кубический метр. Это огромное расхождение известно как проблема космологической постоянной или, в разговорной речи, "вакуумная катастрофа".
Vacuum energy is an underlying background energy that exists in space throughout the entire Universe. The vacuum energy is a special case of zero point energy that relates to the quantum vacuum. The effects of vacuum energy can be experimentally observed in various phenomena such as spontaneous emission, the Casimir effect, and the Lamb shift, and are thought to influence the behavior of the Universe on cosmological scales. Using the upper limit of the cosmological constant, the vacuum energy of free space has been estimated to be 10−9 joules (10−2 ergs), or ~5 GeV per cubic meter. However, in quantum electrodynamics, consistency with the principle of Lorentz covariance and with the magnitude of the Planck constant suggests a much larger value of 10113 joules per cubic meter. This huge discrepancy is known as the cosmological constant problem or, colloquially, the "vacuum catastrophe."
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 себе как пространство, заполненное взаимосвязанными вибрирующими шарами и пружинами, где сила поля пропорциональна смещению шара из положения равновесия. Теория требует, чтобы "колебания" в таком поле, или, точнее, изменения его силы, распространялись согласно соответствующему волновому уравнению для данного поля. Вторая квантизация в квантовой теории поля требует квантования каждой такой комбинации шар-пружина, то есть квантования силы поля в каждой точке пространства. Канонически, если поле в каждой точке пространства представляет собой простой гармонический осциллятор, его квантование приводит к размещению квантового гармонического осциллятора в каждой точке. Возбуждения поля соответствуют элементарным частицам физики частиц. Таким образом, согласно теории, даже вакуум обладает чрезвычайно сложной структурой, и все вычисления в квантовой теории поля должны выполняться относительно этой модели вакуума. Теория рассматривает вакуум как обладающий свойствами, присущими частицам, таким как спин или поляризация в случае света, энергия и так далее. Согласно теории, большинство этих свойств в среднем компенсируют друг друга, оставляя вакуум пустым в буквальном смысле слова. Однако важным исключением является вакуумная энергия, или вакуумное среднее значение энергии. Квантование простого гармонического осциллятора требует, чтобы его наименьшая возможная энергия, или энергия нулевой точки, была…
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
Суммирование по всем возможным осцилляторам во всех точках пространства дает бесконечное значение. Чтобы устранить эту бесконечность, можно утверждать, что физически измеримы только разности энергий, подобно тому, как концепция потенциальной энергии рассматривалась в классической механике на протяжении веков. Этот аргумент лежит в основе теории перенормировки. Во всех практических расчетах именно так и обходятся с бесконечностью. Вакуумную энергию также можно рассматривать с точки зрения виртуальных частиц (также известных как вакуумные флуктуации), которые создаются и уничтожаются из вакуума. Эти частицы всегда создаются из вакуума в парно-античастичных парах, которые в большинстве случаев вскоре аннигилируют и исчезают. Однако эти частицы и античастицы могут взаимодействовать с другими частицами до исчезновения, процесс, который можно отобразить с помощью диаграмм Фейнмана. Следует отметить, что этот метод вычисления вакуумной энергии математически эквивалентен наличию квантового гармонического осциллятора в каждой точке и, следовательно, страдает от тех же проблем перенормировки. Дополнительный вклад в вакуумную энергию вносит спонтанное нарушение симметрии в квантовой теории поля.
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.
Последствия
Энергия вакуума имеет ряд следствий. В 1948 году голландские физики Хендрик Б. Г. Казимир и Дирк Полдер предсказали существование крошечной силы притяжения между близко расположенными металлическими пластинами из-за резонансов в энергии вакуума в пространстве между ними. Это теперь известно как эффект Казимира и с тех пор было широко экспериментально подтверждено. Поэтому считается, что энергия вакуума "реальна" в том же смысле, что и более привычные концептуальные объекты, такие как электроны, магнитные поля и т.д. Однако с тех пор были предложены альтернативные объяснения эффекта Казимира. Другие предсказания труднее проверить. Вакуумные флуктуации всегда создаются в виде пар частица-античастица. Физик Стивен Хокинг предположил, что создание этих виртуальных частиц вблизи горизонта событий черной дыры является механизмом для конечного "испарения" черных дыр. Если одна из пары оказывается поглощенной черной дырой до этого, то другая частица становится "реальной", и энергия/масса по сути излучается в пространство из черной дыры. Эта потеря является кумулятивной и может привести к исчезновению черной дыры со временем. Время, необходимое для этого, зависит от массы черной дыры (уравнения показывают, что чем меньше черная дыра, тем быстрее она испаряется), но может составлять порядка 10<sup>60</sup> лет для черных дыр большой солнечной массы. Определение значения гравитационной постоянной G было предметом обширных исследований, с многочисленными экспериментами, проведенными на протяжении многих лет в попытке измерить его точное значение. Эти эксперименты, часто использующие высокоточные методы, были направлены на получение точных измерений G и установление консенсуса относительно его точного значения. Однако результаты этих экспериментов показали значительные несоответствия, что затрудняет достижение окончательного заключения относительно значения G. Это отсутствие консенсуса озадачило ученых и потребовало поиска альтернативных объяснений. Для проверки теоретических предсказаний относительно напряженности поля энергии вакуума, в теоретическом исследовании рекомендуются конкретные экспериментальные условия, связанные с положением Луны. Эти условия направлены на достижение согласованных результатов в прецизионных измерениях G. Конечная цель таких экспериментов – либо опровергнуть, либо подтвердить предложенную теоретическую основу. Значение изучения напряженности поля энергии вакуума заключается в его потенциале революционизировать наше понимание гравитации и ее взаимодействий.
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.
История
В 1934 году Жорж Леметр использовал необычное уравнение состояния идеальной жидкости для интерпретации космологической постоянной как следствия энергии вакуума. В 1948 году эффект Казимира предоставил экспериментальный метод для проверки существования энергии вакуума; однако в 1955 году Евгений Лифшиц предложил иное объяснение происхождения эффекта Казимира. В 1957 году Ли и Янг доказали концепции нарушения симметрии и нарушения чётности, за что были удостоены Нобелевской премии. В 1973 году Эдвард Трайон выдвинул гипотезу об вселенной с нулевой энергией: согласно которой Вселенная может являться крупномасштабным квантово-механическим флуктуацией вакуума, где положительная масса-энергия компенсируется отрицательной гравитационной потенциальной энергией. В 1980-х годах было сделано множество попыток связать поля, генерирующие энергию вакуума, с конкретными полями, предсказанными в рамках теорий великого объединения, и использовать наблюдения Вселенной для подтверждения той или иной модели. Однако точная природа частиц (или полей), генерирующих энергию вакуума с плотностью, необходимой для теории инфляции, остаётся невыясненной.
In 1934, Georges Lemaître used an unusual perfect fluid equation of state to interpret the cosmological constant as due to vacuum energy. In 1948, the Casimir effect provided an experimental method for a verification of the existence of vacuum energy; in 1955, however, Evgeny Lifshitz offered a different origin for the Casimir effect. In 1957, Lee and Yang proved the concepts of broken symmetry and parity violation, for which they won the Nobel prize. In 1973, Edward Tryon proposed the zero energy universe hypothesis: that the Universe may be a large scale quantum mechanical vacuum fluctuation where positive mass–energy is balanced by negative gravitational potential energy. During the 1980s, there were many attempts to relate the fields that generate the vacuum energy to specific fields that were predicted by attempts at a Grand unification theory and to use observations of the Universe to confirm one or another version. However, the exact nature of the particles (or fields) that generate vacuum energy, with a density such as that required by inflation theory, remains a mystery.
Энергия вакуума в фантастике
В романе Артура Кларка "Песни далекой Земли" фигурирует звездолет, приводимый в движение "квантовым двигателем", основанным на некоторых аспектах этой теории. В научно-фантастической телевизионной и кинофраншизе "Звездные врата" модуль нулевой точки (ZPM) является источником энергии, извлекающим энергию нулевой точки из микропараллельной вселенной. В книге "Star Trek: Техническое руководство по станции "Глубокий космос 9" описан принцип действия так называемой квантовой торпеды. В этом вымышленном оружии антиматерия используется для создания многомерной мембраны в вакууме, которая при распаде высвобождает больше энергии, чем было затрачено на её создание. Недостающая энергия извлекается из вакуума. Как правило, взрыв высвобождает примерно вдвое больше энергии, чем соответствовало бы аннигиляции антиматерии и материи. В видеоигре Half-Life 2 предмет, обычно известный как "гравитационная пушка", упоминается как "манипулятор энергии поля нулевой точки" и "манипулятор поля нулевой энергии".
Arthur C. Clarke's novel The Songs of Distant Earth features a starship powered by a "quantum drive" based on aspects of this theory. In the sci fi television/film franchise Stargate, a Zero Point Module (ZPM) is a power source that extracts zero point energy from a micro parallel universe. The book Star Trek: Deep Space Nine Technical Manual describes the operating principle of the so called quantum torpedo. In this fictional weapon, an antimatter reaction is used to create a multi dimensional membrane in a vacuum that releases at its decomposition more energy than was needed to produce it. The missing energy is removed from the vacuum. Usually about twice as much energy is released in the explosion as would correspond to the initial antimatter matter annihilation. In the video game Half Life 2, the item generally known as the "gravity gun" is referred to as both the "zero point field energy manipulator" and the "zero point energy field manipulator."