Fluktuacja kwantowa - Quantum fluctuation

Wizualizacja 3D kwantowych fluktuacji próżni QCD

W fizyce kwantowej , o fluktuacja kwantowa (lub próżnia wahania stanu lub fluktuacja próżni ) to tymczasowy losowa zmiana ilości energii w danym punkcie przestrzeni , jak przepisane przez Wernera Heisenberga „s zasady nieoznaczoności . Są to maleńkie losowe fluktuacje wartości pól reprezentujących cząstki elementarne, takich jak pola elektryczne i magnetyczne reprezentujące siłę elektromagnetyczną przenoszoną przez fotony , pola W i Z przenoszące słabe oddziaływanie oraz pola gluonowe przenoszące silne oddziaływanie . Fluktuacje próżni pojawiają się jako wirtualne cząstki , które zawsze powstają w parach cząstka-antycząstka. Ponieważ powstają one spontanicznie bez źródła energii, mówi się, że fluktuacje próżni i wirtualne cząstki naruszają zasady zachowania energii . Jest to teoretycznie dopuszczalne, ponieważ cząstki anihilują się nawzajem w czasie określonym przez zasadę nieoznaczoności, więc nie można ich bezpośrednio zaobserwować. Zasada nieoznaczoności stwierdza, że ​​niepewność energii i czasu może być powiązana przez , gdzie${\ Displaystyle \ Delta E \ \ Delta t \ geq {\ tfrac {1} {2}} \ hbar ~}$1/2ħ ≈5,27286×10 ^-35  Js. Oznacza to, że pary wirtualnych cząstek o energiii czasie życia krótszym niżsą nieustannie tworzone i anihilowane w pustej przestrzeni. Chociaż cząstki nie są bezpośrednio wykrywalne, skumulowane efekty tych cząstek są mierzalne. Na przykład bez fluktuacji kwantowych„naga” masai ładunek cząstek elementarnych byłyby nieskończone; Zteoriirenormalizacjiwynika, że ​​efekt ekranowania chmury cząstek wirtualnych odpowiada za skończoną masę i ładunek cząstek elementarnych. Kolejną konsekwencją jestefekt Casimira. Jedną z pierwszych obserwacji, która była dowodem na wahania próżni, byłoprzesunięcie Lambaw wodorze. W lipcu 2020 r. naukowcy poinformowali, że fluktuacje próżni kwantowej mogą wpływać na ruch makroskopowych obiektów w ludzkiej skali, mierząc korelacje poniżejstandardowego limitu kwantowegomiędzy niepewnością położenia/pędu zwierciadełLIGOa niepewnością liczby fotonów/fazy światła, które odzwierciedlają. ${\ Displaystyle \ Delta E}$${\ Displaystyle \ Delta t}$

Wahania pola

W kwantowej teorii pola pola podlegają fluktuacjom kwantowym. Dość oczywiste, można dokonać rozróżnienia między fluktuacjami kwantowych i fluktuacji termicznych o polu kwantowej (przynajmniej na wolnym obszarze, na polach interakcji, renormalizacja znacznie komplikuje sprawę). Ilustrację tego rozróżnienia można zobaczyć, biorąc pod uwagę kwantowe i klasyczne pola Kleina-Gordona: dla skwantowanego pola Kleina-Gordona w stanie próżni możemy obliczyć gęstość prawdopodobieństwa, że ​​obserwowalibyśmy konfigurację w czasie t pod względem jej Przekształcenie Fouriera, aby być ${\ Displaystyle {\ Displaystyle \ varphi _ {t} (x)}}$ ${\displaystyle {\displaystyle {\tylda {\varphi}}_{t}(k)}}$

${\ Displaystyle \ rho _ {0}[\ varphi _ {t}] = \ exp {\ lewo [-{\ Frac {1} {\ hbar}} \ int {\ Frac {d ^ {3} k} (2\pi )^{3}}}{\tylda {\varphi }}_{t}^{*}(k){\sqrt {|k|^{2}+m^{2}}}\ ;{\tylda {\varphi }}_{t}(k)\right]}~.}$

Natomiast dla klasycznego pola Kleina-Gordona w niezerowej temperaturze gęstość prawdopodobieństwa Gibbsa, że będziemy obserwować konfigurację w czasie jest ${\ Displaystyle {\ Displaystyle \ varphi _ {t} (x)}}$${\displaystyle t}$

${\ Displaystyle \ rho _ {E} [\ varphi _ {t}] = \ exp {[-H [\ varphi _ {t}] / k_ {\ operatorname {B}} T]} = \ exp {\ lewo [-{\frac {1}{k_{\mathrm {B} }T}}\int {\frac {d^{3}k}{(2\pi )^{3}}}{\tylda {\ varphi }}_{t}^{*}(k){\scriptstyle {\frac {1}{2}}}(|k|^{2}+m^{2})\;{\tylda {\ varphi }}_{t}(k)\prawo]}~.}$

Te rozkłady prawdopodobieństwa pokazują, że każda możliwa konfiguracja pola jest możliwa, a amplituda fluktuacji kwantowych jest kontrolowana przez stałą Plancka , podobnie jak amplituda fluktuacji termicznych jest kontrolowana przez , gdzie k _B jest stałą Boltzmanna . Zauważ, że następujące trzy punkty są ze sobą ściśle powiązane: ${\ Displaystyle \ hbar}$${\displaystyle k_{\mathrm {B}}T}$

1. Stała Plancka ma jednostki działania (dżule-sekundy) zamiast jednostek energii (dżule),
2. jądro kwantowe jest zamiast (jądro kwantowe jest nielokalne z punktu widzenia klasycznego jądra cieplnego , ale jest lokalne w tym sensie, że nie pozwala na przesyłanie sygnałów),${\ Displaystyle {\ sqrt {| k | ^ {2} + m ^ {2} \,}} \}$${\ Displaystyle {\ scriptstyle {\ Frac {1} {2}}} (| k | ^ {2} + m ^ {2})}$
3. kwantowy stan próżni jest niezmiennikiem Lorentza (chociaż nie jest to oczywiste w powyższym), podczas gdy klasyczny stan termiczny nie jest (klasyczna dynamika jest niezmiennikiem Lorentza, ale gęstość prawdopodobieństwa Gibbsa nie jest niezmienniczym warunkiem Lorentza).

Możemy skonstruować klasyczne ciągłe pole losowe, które ma taką samą gęstość prawdopodobieństwa jak stan próżni kwantowej, tak że główną różnicą od kwantowej teorii pola jest teoria pomiaru ( pomiar w teorii kwantowej różni się od pomiaru dla klasycznego ciągłego pola losowego, w że klasyczne pomiary są zawsze wzajemnie kompatybilne – w kategoriach mechaniki kwantowej zawsze dojeżdżają). Efekty kwantowe, które są konsekwencją jedynie fluktuacji kwantowych, a nie subtelności niezgodności pomiarów, mogą alternatywnie być modelami klasycznych ciągłych pól losowych.

Zobacz też

• efekt Kazimierza
• Kosmiczne tło mikrofalowe
• Wyżarzanie kwantowe
• Piana kwantowa
• Cząstka wirtualna
• Wirtualna czarna dziura
• Interpretacja stochastyczna
• Ruch wahadłowy

Przypisy

Bibliografia