Действительно ли колебания вакуума происходят постоянно?

В популярных статьях по физике и даже на некоторых уроках физики, которые я посещал, космический вакуум описывается как постоянно наполненный квантовыми флуктуациями. Предполагается, что всевозможные пары частица-античастица на всех уровнях постоянно появляются и исчезают. В итоге мы получаем мысленный образ вакуума как бурлящего, неспокойного моря со множеством происходящих событий, а не как спокойный, безмятежный фон.

Однако вакуум, будучи состоянием теории с самой низкой энергией, должен быть собственным энергетическим состоянием, что означает, что он не зависит от времени (за исключением физически несущественного фазового фактора). Таким образом, кажется, что вакуум действительно не следует рассматривать как динамическую сущность, в которой происходят всевозможные вещи, как нас заставили верить.

«Вакуумная флуктуация» - это когда основное состояние системы измеряется в базисе, который не включает в себя основное состояние; это просто частный случай квантовой флуктуации.

Таким образом, это звучит так, как будто существование вакуумных флуктуаций зависит от измерения вакуума - в частности, измерения чего-то, что не коммутируется с энергией (например, я думаю, значения поля в точке).

Насколько верна идея о том, что флуктуации вакуума происходят постоянно и везде? Действительно ли это полезный способ думать об этом или это просто миф, распространенный популяризацией физики?

Фредерик Брюннер

Частицы не появляются постоянно из ничего и вскоре после этого исчезают. Это просто картина, полученная при буквальном понимании диаграмм Фейнмана. Вычисление энергии основного состояния поля, то есть вакуума, включает вычисление его так называемого вакуумного математического ожидания. В теории возмущений это достигается сложением диаграмм Фейнмана. Диаграммы Фейнмана, участвующие в этом процессе, содержат внутренние линии, которые часто называют «виртуальными частицами». Однако это не означает, что нужно рассматривать это как реальную картину реальности. См. Мой ответ на этот вопрос для обсуждения природы виртуальных частиц в целом.

Джон Ренни

Я думаю, что можно дать руководство для начинающих о том, что подразумевается под колебаниями вакуума, но это обязательно предполагает некоторые вольности, так что имейте это в виду в дальнейшем.

Прежде чем мы начнем, давайте вспомним следующий ключевой момент, касающийся суперпозиций. Предположим, у нас есть оператор п ^ с собственными функциями ψ я и помещаем его в суперпозицию:

Затем, когда мы проводим измерение системы с помощью нашего оператора п ^ суперпозиция схлопнется, и мы найдем ее на одном из собственных состояний ψ я . Вероятность найти его в этом состоянии равна а я 2 .

Теперь предположим, что мы проводим измерение, затем снова помещаем систему в ту же суперпозицию, проводим второе измерение и повторяем это снова. Наши измерения будут давать разные результаты в зависимости от того, в какое из собственных состояний коллапсирует суперпозиция, поэтому создается впечатление, что наша система колеблется, то есть изменяется со временем. Но, конечно, это не так - именно так работает квантовое измерение, и мы увидим, что нечто подобное отвечает за видимые флуктуации вакуума.

Теперь обратимся к квантовой теории поля и, как обычно, начнем с невзаимодействующего скалярного поля, поскольку это простейший случай. При квантовании поля мы обнаруживаем, что оно имеет бесконечное количество состояний. Эти состояния называются состояниями Фока, и эти состояния Фока являются векторами в пространстве Фока, точно так же, как состояния для регулярного QM являются векторами в гильбертовом пространстве. Каждое состояние Фока имеет четко определенное количество частиц, и есть числовой оператор п ^ который возвращает количество частиц для состояния. Есть вакуумное состояние | 0 ⟩ который не имеет частиц, т.е. п ^ | 0 ⟩ знак равно 0 .

Предположим, мы рассматриваем состояние скалярного поля, которое представляет собой суперпозицию фоковских состояний с различным числом частиц:

Если мы применим числовой оператор, он случайным образом свернет суперпозицию в одно из состояний Фока и вернет количество частиц в этом состоянии. Но поскольку это случайный процесс, если мы повторим эксперимент, мы будем каждый раз получать разное количество частиц, и это выглядит так, как будто количество частиц в состоянии колеблется. Но в нашем состоянии нет ничего нестабильного | Икс ⟩ а кажущиеся флуктуации - это просто следствие случайного коллапса суперпозиции.

И теперь вы, наверное, догадались, к чему я клоню, хотя нам нужно прояснить несколько моментов. Свободное поле - удобный математический объект, которого на самом деле не существует - все реальные поля взаимодействуют. Состояния взаимодействующих полей не являются фоковскими и не находятся в фоковском пространстве. На самом деле мы очень мало знаем об этих состояниях. Однако мы можем попытаться представить вакуум взаимодействующего поля | Ω ⟩ как сумму состояний Фока свободного поля, и если мы это сделаем, то применяя числовой оператор к | Ω ⟩ вернет фактически случайное значение, как и для суперпозиции состояний свободного поля.

И это то, что мы подразумеваем под вакуумными флуктуациями для взаимодействующего поля. В состоянии вакуума нет никаких колебаний , однако измерения, которые мы проводим, будут возвращать случайные значения, создающие видимость колебаний, зависящих от времени. Это измерение, которое колеблется, а не состояние.

Я использовал здесь пример числового оператора, но трудно понять, как числовой оператор соответствует какому-либо физическому измерению, поэтому возьмите его как концептуальный пример. Однако описанный мною процесс влияет на реальные физические измерения и происходит всякий раз, когда вакуум не является собственным состоянием наблюдаемого измеряемого объекта. В качестве примера см. « Наблюдение флуктуаций нулевой точки в резистивно шунтируемом туннельном переходе Джозефсона» , Roger H. Koch, DJ Van Harlingen и John Clarke, Phys. Rev. Lett. 47, 1216 доступен в формате PDF здесь .