Физический вакуум

В квантовой теории поля – низшее энергетическое состояние квантовых полей, характеризующееся отсутствием реальных частиц, называют физическим вакуумом. Все квантовые числа физического вакуума равны нулю. При взаимодействии реальных частиц с вакуумом рождаются виртуальные процессы. В случае спонтанного нарушения симметрии вакуумное состояние становиться вырожденным.

Вакуум можно представить наглядно. Это область пространства, из которой удалены все реальные частицы поля и волны. Это идеализированный вакуум. Достичь абсолютного вакуума практически невозможно. Даже в космическом пространстве присутствует разряженный газ, реликтовое излучение и т.д.

Квантовая теория поля показала, что физический вакуум – это не пустое безжизненное пространство, лишенное вещества. Согласно квантовой физике, квантовые эффекты могут приостанавливать действие закона сохранения энергии на очень короткое время. Причиной такого явления является принцип неопределенности Гейзенберга. В течение этого промежутка времени, энергия может быть взята «взаймы» на различные цели, в том числе на рождение частиц. Все возникающие при этом частицы будут короткоживущими, т.к. израсходованная на них энергия должна быть возвращена спустя ничтожную долю секунды. Тем не менее, частицы могут, возникнуть из ничего, обретая мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть. В пространстве всегда будет присутствовать рой мимолетных частиц, возникновение которых «субсидируется» соотношением неопределенностей Гейзенберга.

Эти частицы - призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить следы своего кратковременного существования. Они представляют собой разновидность «виртуальных» частиц, аналогичных реальным переносчикам взаимодействий, но не предназначенных для получения или передачи сигналов. Возникнув из пустоты, они снова вернутся в нее. Следовательно, в пустом пространстве в действительности виртуальные частицы кишат. Вакуум не «безжизнен», а полон энергии.

Электрон, перемещаясь в пространстве, оказывается в окружении частиц-призраков: лептонов, кварков и других переносчиков взаимодействия. Своим присутствием они оказывают воздействие на электрон. Даже в состоянии покоя электрон не знает покоя: со всех сторон его непрерывно штурмуют другие частицы, появившиеся из вакуума. Из вакуума виртуальные частицы рождаются парами типа электронно-позитронной пары, которые вскоре вновь «сливаются» в фотон. Следовательно, пространство вокруг электрона в действительности не пусто, а заполнено виртуальными частицами всевозможных сортов, в том числе виртуальными электронами и виртуальными позитронами. Электрон, помещенный в физический вакуум «узнает» о существовании виртуальных частиц, т.к. они влияют на него. Виртуальные позитроны будут притягиваться к электрону, а виртуальные электроны – отталкиваться. Тем самым происходит поляризация вакуума, что нетрудно измерить экспериментально.

Поляризация вакуума приводит к тому, что вокруг электрона возникает своего рода экран. Вследствие экранирования эффективный заряд электрона издалека кажется меньше реального. Введя зонд внутрь облака, мы обнаружили бы, что «голый» электрон имеет больше заряда, чем экранированный электрон.

Квантовая электродинамика (КЭД) предсказала, что энергетический уровень атома водорода должен быть слегка смещенным относительно положения, которое он занимал бы, если бы не существовали виртуальные частицы. Теория очень точно предсказала величину этого смещения. Эксперимент, по обнаружению смещения, осуществил Уиллис Лэмб из Университета штата Аризона. Опыты показали правильность теоретических вычислений. Кроме того, КЭД нашел поправку к магнитному моменту электрона. Чтобы обнаружить расчетную поправку, экспериментаторы сначала усовершенствовали прибор, поднимая точность более чем на девять знаков после запятой, а затем они обнаружили экспериментально указанную КЭДом поправку к магнитному моменту электрона.

Вопросы для самоконтроля

1. Как называют в теории, поле низшего квантового энергетического состояния?

2. Чему равны все квантовые числа в физическом вакууме?

3. Можно ли взять энергию «взаймы» с вакуума для рождения частиц-призраков?

4. Откуда появляются частицы призраки или же виртуальные частицы?

5. Каким образом, доказывается существование виртуальных частиц?

6. Возникновения, каких частиц субсидируется, соотношением неопределённостей Гейзенберга?

7. Чем доказывается, что вакуум не «безжизнен», а полон энергии?

8. Почему электрон в состоянии покоя не будет находиться в покое?

9. Как рождаются виртуальные частицы из вакуума: парами или поодиночке?

10. Почему эффективный заряд экранированного электрона кажется меньше реального, т.е. «голого»?

11. Как называется наука, которая предсказала, энергетический уровень атома водорода слегка смещенного, в присутствии виртуальных частиц?

12. Кто экспериментально измерял смещение энергетического уровня атома водорода в присутствии виртуальных частиц?

13. Чтобы экспериментально обнаружить поправку, к магнитному моменту электрона, экспериментаторы поднимали точность прибора, до какого знака после запятой?