QED vakum - QED vacuum

QED vakum olduğu alan teorik vakum içinde kuantum elektrodinamik . Alanlar nicelleştirildiğinde elektromanyetik alanın en düşük enerji durumudur ( temel durum ) . Ne zaman Planck sabiti varsayımsal bir yaklaşım sıfır izin verilir, QED vakum dönüştürülür klasik vakum söylemek klasik elektromanyetizma boşluk olduğunu,.

Bir başka alan teorik vakumla QCD vakum içinde Standart model .

Bir Feynmann diyagramı ( kutu şeması ) foton foton dağılımı için, geçici bir ila foton scatter vakum şarj dalgalanmalar diğerinin

Dalgalanmalar

Medya oynatın

Spontan parametrik aşağı dönüştürme ile güçlendirilmiş vakum dalgalanmalarını (kırmızı halkadaki) gösteren bir deneyin videosu .

QED boşluğu, hareketsiz bir sıfır ortalama alan koşulu hakkında dalgalanmalara tabidir: İşte kuantum vakumunun bir açıklaması:

Kuantum teorisi, herhangi bir maddeden yoksun en mükemmel vakum bile olsa bir boşluğun gerçekten boş olmadığını iddia ediyor. Aksine, kuantum boşluğu, ısıl hareketlerinden oldukça farklı olan parçacıkların görünürdeki itişmelerinde kendilerini gösteren, sürekli olarak ortaya çıkan ve kaybolan [çiftleri] parçacık denizi olarak tasvir edilebilir. Bu parçacıklar, gerçek parçacıkların aksine 'sanaldır'. ... Herhangi bir anda boşluk, atomların enerji seviyelerini etkileyerek imzalarını geride bırakan bu tür sanal çiftlerle doludur.

-  Joseph Silk On the Shores of the Unknown , s. 62

Sanal parçacıklar

Bazen Heisenberg enerji-zaman belirsizliği ilkesine dayanan sanal parçacıkların sezgisel bir resmini sağlamaya çalışılır :

${\ displaystyle \ Delta E \ Delta t \ geq {\ frac {\ hbar} {2}} \ ,,}$

(burada Δ E ve Δ t olan enerji ve zaman varyasyonlar ve H Planck sabit 2 bölü tt ) sanal parçacıkların kısa süresi vakumdan büyük enerji "borçlanma" izin veren çizgiler boyunca sürerek ve böylece parçacık imkan vermektedir kısa süreler için.

Bununla birlikte, enerji-zaman belirsizlik ilişkisinin bu yorumu evrensel olarak kabul edilmemiştir. Bir sorun, bir zaman belirsizliği Δ t, enerji Δ E ödünç almak için bir "bütçe" belirliyormuş gibi, ölçüm doğruluğunu sınırlayan bir belirsizlik ilişkisinin kullanılmasıdır . Diğer bir konu da bu ilişkideki "zaman" ın anlamıdır, çünkü enerji ve zaman ( örneğin, q konumu ve momentum p'nin aksine ) kanonik bir komütasyon ilişkisini ( [ q , p ] = iħ gibi ) karşılamaz. Bir tür zaman yorumuna sahip olan ve yine de enerji ile kanonik bir komütasyon ilişkisini tatmin eden bir gözlemlenebilir oluşturmak için çeşitli şemalar geliştirilmiştir. Enerji-zaman belirsizliği ilkesine yönelik birçok yaklaşım, devam eden bir çalışma konusudur.

Alanların nicelendirilmesi

Heisenberg belirsizlik ilkesi parçacık parçacık sabit bir yerde eşzamanlı olduğu bir durumda bulunur, izin vermez, koordinatlarının demek, ve aynı zamanda sıfır momentuma sahiptir. Bunun yerine, parçacığın kuantum dalgalanmalarına atfedilebilecek bir konumsal momentum ve yayılma aralığı vardır; sınırlandırılmışsa, sıfır noktası enerjisine sahiptir .

İşe gidip gelmeyen tüm kuantum mekaniği operatörleri için bir belirsizlik ilkesi geçerlidir . Özellikle elektromanyetik alan için de geçerlidir. Elektromanyetik alan için komütatörlerin rolünü açıklığa kavuşturmak için bir inceleme yapılır.

Elektromanyetik alanın nicemlenmesine yönelik standart yaklaşım, aşağıdaki ilişkileri kullanarak temel elektromanyetik elektrik alanı E ve manyetik alan B'yi temsil etmek için bir vektör potansiyel A ve bir skaler potansiyel V getirerek başlar :

${\ displaystyle {\ begin {align} \ mathbf {B} & = \ mathbf {\ nabla \ times A} \ ,, \\\ mathbf {E} & = - {\ frac {\ kısmi} {\ kısmi t} } \ mathbf {A} - \ mathbf {\ nabla} V \,. \ end {hizalı}}}$

Vektör potansiyeli, bu ilişkiler tarafından tamamen belirlenmez ve sözde bir ayar özgürlüğü açık bırakır . Bu belirsizliğin Coulomb göstergesi kullanılarak çözülmesi , vektör potansiyeli ve momentum alanı Π açısından yüklerin olmadığı durumlarda elektromanyetik alanların bir açıklamasına yol açar :

${\ displaystyle \ mathbf {\ Pi} = \ varepsilon _ {0} {\ frac {\ kısmi} {\ kısmi t}} \ mathbf {A} \ ,,}$

burada ε ₀ olan elektrik sabit bölgesinin SI birimleri . Niceleme, momentum alanının ve vektör potansiyelinin değişmemesi konusunda ısrar ederek elde edilir. Yani, eşit zamanlı komütatör:

${\ displaystyle {\ bigl [} \ Pi _ {i} (\ mathbf {r}, t), \ A_ {j} (\ mathbf {r} ', t) {\ bigr]} = - ben \ hbar \ delta _ {ij} \ delta (\ mathbf {r} - \ mathbf {r} ') \ ,,}$

burada R , R ' mekansal konumlardır, ħ olan Planck sabitesi üzerinde 2 tt , δ _ij olan Kronecker'in ö ve δ ( r - r ') olan Dirac delta fonksiyonu . Gösterimi [], temsil eder komütatör .

Vektör potansiyeli tanıtılmadan, temel alanların kendileri açısından nicelleştirme gerçekleştirilebilir:

${\ displaystyle \ sol [{\ hat {E}} _ {k} ({\ boldsymbol {r}}), {\ hat {B}} _ {k '} ({\ boldsymbol {r}}') \ sağ] = - \ epsilon _ {kk'm} {\ frac {i \ hbar} {\ varepsilon _ {0}}} {\ frac {\ kısmi} {\ kısmi x_ {m}}} \ delta ({\ kalın sembol {r-r '}}) \ ,,}$

buradaki inceltme işareti , bir Schrödinger zamandan bağımsız alan operatörünü belirtir ve ε _ijk , antisimetrik Levi-Civita tensörüdür .

Alan değişkenlerinin değişmemesi nedeniyle, ortalamaları sıfır olmasına rağmen alanların varyansları sıfır olamaz. Elektromanyetik alan bu nedenle sıfır noktası enerjisine ve en düşük kuantum durumuna sahiptir. Uyarılmış bir atomun elektromanyetik alanın bu en düşük kuantum durumu ile etkileşimi, kendiliğinden yayılmaya , uyarılmış bir atomun, atomun hiçbir dışsal karışıklığı olmadığında bile bir fotonun yayılmasıyla daha düşük enerji durumuna geçişine yol açan şeydir .

Elektromanyetik özellikler

Son derece güçlü manyetik alandaki gözlemlenen ışığın polarizasyonu, nötron yıldızının etrafındaki boş alanın vakumlu çift kırılmaya maruz kaldığını göstermektedir.

Nicemlemenin bir sonucu olarak, kuantum elektrodinamik vakum bir malzeme ortamı olarak düşünülebilir. Vakum polarizasyonu yapabilmektedir . Özellikle yüklü parçacıklar arasındaki kuvvet yasası etkilenir. Kuantum elektrodinamik vakum elektriksel geçirgenlik hesaplanabilir ve bu basit biraz farklıdır ε ₀ arasında klasik vakum . Aynı şekilde geçirgenliği de hesaplanabilir ve μ _0'dan biraz farklıdır . Bu ortam, bağıl dielektrik sabiti> 1 olan bir dielektriktir ve göreceli manyetik geçirgenliği <1 olan diyamanyetiktir. Alanın Schwinger sınırını aştığı bazı aşırı durumlarda (örneğin, bölgenin dış bölgelerinde bulunan çok yüksek alanlarda pulsarlar ), kuantum elektrodinamik vakumun alanlarda doğrusal olmama gösterdiği düşünülmektedir. Hesaplamalar ayrıca yüksek alanlarda çift kırılma ve dikroizmi gösterir. Vakumun elektromanyetik etkilerinin çoğu küçüktür ve sadece son zamanlarda doğrusal olmayan etkilerin gözlemlenmesini sağlamak için deneyler tasarlanmıştır. PVLAS ve diğer ekipler, QED etkilerini tespit etmek için gereken hassasiyeti sağlamak için çalışıyor.

Ulaşılabilirlik

Kusursuz bir boşluğun kendisi ancak prensipte elde edilebilir. Bu, sıcaklık için mutlak sıfır gibi , yaklaşılabilen, ancak gerçekte asla gerçekleştirilemeyen bir idealleştirmedir :

Bir neden [vakum boş değildir], vakum odasının duvarlarının kara cisim radyasyonu şeklinde ışık yaymasıdır ... Bu foton çorbası, duvarlarla termodinamik denge içindeyse, belirli bir sıcaklık ve bir basınç. Mükemmel vakumun imkansız olmasının bir başka nedeni de, hiçbir parçacığın kesin bir konuma sahip olamayacağını belirten Heisenberg belirsizlik ilkesidir ... Her atom, belirli bir hacimde her yerde belirli bir sıfır olmayan değere sahip olan uzayın bir olasılık fonksiyonu olarak var olur. ... Daha temelde, kuantum mekaniği ... kısa bir varlığa sahip sanal parçacıkların enerjilerinden oluşan sıfır noktası enerjisi [bu] denilen enerjide bir düzeltme öngörüyor. Buna vakum dalgalanması denir .

-  Luciano Boi, "Fiziksel dünyayı nihai olarak yaratmak mı?" s. 55

Sanal parçacıklar mükemmel bir vakumu gerçekleştirilemez hale getirir , ancak kuantum elektrodinamik vakum veya QED vakumuna ulaşılabilirlik sorusunu açık bırakır . Spontan emisyon , Casimir etkisi ve Lamb kayması gibi QED vakumunun tahminleri deneysel olarak doğrulanmıştır, bu da QED vakumunun yüksek kaliteli gerçekleştirilebilir bir vakum için iyi bir model olduğunu düşündürmektedir. Bununla birlikte, vakum için birbiriyle yarışan teorik modeller vardır. Örneğin, kuantum kromodinamik vakum , kuantum elektrodinamiğinde işlenmemiş birçok sanal parçacığı içerir. Kuantum yerçekimi vakumu , Standart Modelde yer almayan yerçekimi etkilerini tedavi eder. Deneysel teknikte daha fazla iyileştirmenin nihayetinde gerçekleştirilebilir vakum için başka bir modeli destekleyip desteklemeyeceği açık bir soru olarak kalır.

Referanslar

Ayrıca bakınız

• Feynman diyagramları
• Kuantum alan teorisinin tarihi
• QED'nin hassas testleri

Bu makale , Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported Lisansı altında lisanslanmış ancak GFDL altında olmayan Citizendium makalesi " Vakum (kuantum elektrodinamik) " içeriğini içermektedir .