حالت خلأ

در نظریه میدان کوانتومی، حالت خلأ، حالت کوانتومی با کمترین انرژی ممکن است. به‌طور عمومی دربرگیرنده هیچ ذره‌ای نیست. گاهی از اصطلاح میدان نقطه صفر بعنوان هم‌معنی برای حالت خلأ یک میدان کوانتیزه‌شده یکتا استفاده می‌شود.

طبق درکی که امروزه از آنچه حالت خلأ یا خلأ کوانتومی نامیده می‌شود، به دست آورده‌ایم، به‌هیچ عنوان نمی‌توان آن را به‌سادگی، فضای خالی دانست^[۱] و این اشتباهست که تصور شود، خلاء فیزیکی، یک پوچی مطلقاً خالی است.^[۲] بنا بر مکانیک کوانتومی، حالت خلأ نه تنها واقعاً خالی نیست، بلکه شامل امواج الکترومغناطیسی و ذرات گذراست که مرتباً به وجود می‌آیند و از بین می‌روند.^[۳][۴][۵]

خلاء الکترودینامیکی (خلاء QED) مربوط بهالکترودینامیک کوانتومی (QED) نخستین خلاء نظریه میدان کوانتومی بود که مطرح شد. QED در دهه ۱۹۳۰ به وجود آمد و در اوخر دهه ۱۹۴۰ و اوایل دهه ۱۹۵۰، توسط فاینمن، توموناگا و شوینگر که مشترکاًجایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۶۵ را دریافت نمودند، مجدداً فرمول‌بندی شد.^[۶] امروزه برهم‌کنش‌های الکترومغناطیس و برهم‌کنش‌هایهسته‌ای ضعیف در قالب نظریه برهم‌کنش الکتروضعیف یکپارچه شده‌اند.

مدل استاندارد تعمیم کار انجام‌شده در الکترودینامیک کوانتومی برای دربرگرفتن همهذرات بنیادی شناخته‌شده و برهم‌کنش‌های آنهاست (به جز گرانش). کرومودینامیک کوانتومی (QCD)، آن بخش از مدل استاندارد است که با برهم‌کنش‌های قوی سروکار دارد و خلاء QCD، خلاء کرومودینامیک کوانتومی است که موضوع مورد مطالعه در برخورددهنده بزرگ هادرونی و برخورددهنده یون سنگین نسبیتی است و با آنچه ساختار خلاء برهم‌کنش‌های قوی نامیده می‌شود، مرتبط است.^[۷]

مقدار چشم‌داشتی غیر صفر

ویدیوی یک آزمایش که نوسانات کوانتومی خلاء را نمایش می‌دهد(در حلقه قرمز) که توسط پایین-تبدیل پارامتری خودبخودی تقویت می‌شود.

اگر بتوان نظریه میدان کوانتومی را با دقت از طریقنظریه اختلال توصیف نمود، ویژگی‌های خلاء مشابه ویژگی‌های حالت پایه یک نوسانگر هماهنگ مکانیک کوانتومی (یا به عبارت دقیق‌تر، حالت پایه یک مسئله مکانیک کوانتومی) است. در این مورد مقدار چشم‌داشتی خلاء (VEV) هر عملگر میدانی، صفر می‌شود. برای نظریه‌های میدان کوانتومی که در آن‌ها نظریه اختلال در انرژی‌های پایین با شکست روبه‌رو می‌شود، (مثلاً کرومودینامیک کوانتومی یا نظریه بی‌سی‌اس ابررسانایی) عملگرهای میدان می‌توانند مقادیر چشم‌داشتی غیر صفر داشته باشند که به آن چگال می‌گویند. در مدل استاندارد، مقدار چشم‌داشتی غیر صفر میدان هیگز، که از شکست خودبخودی تقارن ناشی می‌شود، ساز و کاری است که توسط آن سایر میدان‌های این نظریه، جرم به دست می‌آورند.

انرژی

در بسیاری از موقعیت‌ها می‌توان حالت خلاء را طوری تعریف کرد که انرژی آن صفر باشد، اگرچه که در واقعیت، موضوع بسیار ریزبینانه‌تر است. حالت خلاء با یک انرژی نقطه صفر مرتبط است و این انرژی نقطه صفر آثاری قابل اندازه‌گیری دارد. در آزمایشگاه‌ها به صورتاثر کاسیمیر قابل آشکارسازی است. در کیهان‌شناسی فیزیکی، انرژی خلاء کیهان‌شناختی به شکل ثابت کیهانی خود را نشان می‌دهد. در واقع انرژی یک سانتیمتر مکعب فضای خالی، به شکل تلویحی، یک تریلیونیم ارگ (یا ۰.۶ الکترون‌ولت) اندازه‌گیری شده‌است.^[۸] یکی از ضروریات مهم تحمیل شده بر نظریه‌ای که پتانسیل نظریه همه‌چیز بودن را داشته باشد، این است که انرژی حالت خلاء کوانتومی باید بتواند ثابت کیهانی مشاهده‌شده را توضیح دهد.

تقارن

در یک نظریه میدان نسبیتی، خلاء یک ناوردای پوانکاره است که از اصول موضع وایتمن پیروی می‌کند اما بدون این اصول نیز مستقیماً قابل اثبات است.^[۹] ناوردایی پوانکاره‌ای ایجاب می‌کند که تنها ترکیبات نرده‌ای عملگرهای میدان می‌توانند مقدار چشم‌داشتی خلاء غیر صفر داشته باشند. مقدار چشم‌داشتی غیرصفر خلاء می‌تواند برخی تقارن‌های درونی لاگرانژین نظریه میدان را بشکند. در این موردخلاء تقارن کمتری از آنچه نظریه اجازه می‌دهد، خواهد داشت و می‌توان گفت که شکست خودبه‌خودی تقارن رخ داده‌است. رجوع کنید به سازوکار هیگز ومدل استاندارد

گذردهی الکتریکی

اصلاحات کوانتومی در معادلات ماکسول می‌توانند باعث شوند که گذردهی الکتریکی تجربی ε حالت خلاء با مقدار نرده‌ای ε₀ ثابت گذردهی خلأ اختلاف پیدا کند.^[۱۰] به‌طور ویژه نظریه الکترودینامیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کند که خلاء QED باید آثار غیرخطی از خود نمایش دهد که باعث می‌شوند مانند یک ماده شکست مضاعف رفتار کند که ε آن برای میدان‌های الکتریکی بسیار بزرگ، کمی بزرگتر از ε₀ است^[۱۱][۱۲] توضیحاتی پدیده دورنگی در فیزیک ذرات، خارج از الکترودینامیک کوانتومی هم پیشنهاد شده‌اند^[۱۳] تلاش‌های در جریان برای اندازه‌گیری چنین آثاری تا کنون بی‌نتیجه مانده است^[۱۴]

نمادگذاری

حالت خلاء به شکل ${\displaystyle |0\rangle }$ یا ${\displaystyle |\rangle }$ نمایش داده می‌شود. مقدار چشم‌داشتی خلاء ( همچنین ببینید : مقدار چشم‌داشتی) هر میدان φ را باید به صورت ${\displaystyle \langle 0|\phi |0\rangle }$ نوشت اما معمولاً به شکل ${\displaystyle \langle \phi \rangle }$ خلاصه می‌شود.

ذرات مجازی

وجود ذرات مجازی را می‌توان به شکلی مستحکم، برپایه ناجابه‌جایی میدان‌های الکترومغناطیسی کوانتیزه شده، استوار نمود. ناجابه‌جایی بدین معناست که اگرچه مقادیر میانگین میدان‌ها در یک خلاء کوانتومی صفر می‌شوند، واریانس‌های آن‌ها صفر نمی‌شود.^[۱۵] اصطلاح «نوسانات خلاء» به واریانس قدرت میدان در حالت انرژی مینیمال اشاره می‌کند^[۱۶] و به روشنی به عنوان مدرکی بر وجود «ذرات مجازی» توصیف می‌شود.^[۱۷]

تلاشهایی بدین منظور انجام شده‌اند که تصویری شهودی از ذرات مجازی با استفاده از اصل عدم قطعیت انرژی-زمان هایزنبرگ ارائه داده شود:

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

(که ΔE و Δt به ترتیب تغییرات انرژی و زمان هستند؛ ΔE دقت در اندازه‌گیری انرژی است و Δt مدت زمان اندازه‌گیری و ħ ثابت پلانک تقسیم بر 2π می‌باشد) و در ادامه اینگونه استدلال می‌شود که طول عمر کوتاه ذرات مجازی اجازه «قرض گرفتن» میزان زیادی انرژی از خلاء را می‌دهد و بدین ترتیب امکان پیدایش ذره برای مدت زمان‌ها کوتاه را فراهم می‌سازد.^[۱۸]

اگرچه پدیده ذرات مجازی مورد پذیرش قرار گرفته‌است، این تفسیر از رابطه عدم قطعیت انرژی-زمان جهانشمول نیست.^[۱۹][۲۰] یکی از مشکلات آن در اینجاست که از یک رابطه عدم قطعیت که دقت اندازه‌گیری را محدود می‌کند، طوری استفاده شده که گویا یک عدم قطعیت زمانی Δt، بودجه‌ای را برای قرض گرفتن انرژی ΔE تعیین می‌کند. مشکل دیگر معنی زمان در این رابطه است، زیرا انرژی و زمان (برخلاف موقعیت q و تکانه p) در یک رابطه جابجایی متعارف (مانند [q, p] = i ħ) صدق نمی‌کنند.^[۲۱]

جستارهای وابسته

• جفت‌سازی
• انرژی خلاء
• قطبش خلاء
• ذره مجازی
• خلأ
• نوسان کوانتومی
• اثر کاسیمیر
• خلأ
• نیروی واندروالسی

منابع

1. Astrid Lambrecht (Hartmut Figger, Dieter Meschede, Claus Zimmermann Eds.) (2002). "vacuum+state" Observing mechanical dissipation in the quantum vacuum: an experimental challenge; in Laser physics at the limits. Berlin/New York: Springer. p. 197. ISBN 3-540-42418-0.
2. Christopher Ray (1991). "vacuum+state" Time, space and philosophy. London/New York: Routledge. Chapter 10, p. 205. ISBN 0-415-03221-0. {{cite book}}: Unknown parameter |nopp= ignored (|no-pp= suggested) (help)
3. «AIP Physics News Update,1996». بایگانی‌شده از اصلی در ۲۹ ژانویه ۲۰۰۸. دریافت‌شده در ۲۰ اكتبر ۲۰۱۵. تاریخ وارد شده در |بازبینی= را بررسی کنید (کمک)
4. Physical Review Focus Dec. 1998
5. Walter Dittrich & Gies H (2000). Probing the quantum vacuum: perturbative effective action approach. Berlin: Springer. ISBN 3-540-67428-4.
6. For an historical discussion, see for example Ari Ben-Menaḥem, ed. (2009). "Quantum electrodynamics (QED)". Historical Encyclopedia of Natural and Mathematical Sciences, Volume 1 (5th ed.). Springer. pp. 4892 ff. ISBN 3-540-68831-5. For the Nobel prize details and the Nobel lectures by these authors see "The Nobel Prize in Physics 1965". Nobelprize.org. Retrieved 2012-02-06.
7. Jean Letessier, Johann Rafelski (2002). "symmetry+" Hadrons and Quark-Gluon Plasma. Cambridge University Press. p. 37 ff. ISBN 0-521-38536-9.
8. Sean Carroll, Sr Research Associate - Physics, مؤسسه فناوری کالیفرنیا, June 22, 2006 سی-سپن broadcast of Cosmology at Yearly Kos Science Panel, Part 1
9. Bednorz, Adam (November 2013). "Relativistic invariance of the vacuum". The European Physical Journal C. 73 (12): 2654. arXiv:1209.0209. Bibcode:2013EPJC...73.2654B. doi:10.1140/epjc/s10052-013-2654-9. Retrieved 26 November 2013.
10. David Delphenich (2006). "Nonlinear Electrodynamics and QED". arXiv:hep-th/0610088.
11. Klein, James J. and B. P. Nigam, Birefringence of the vacuum, Physical Review vol. 135, p. B1279-B1280 (1964).
12. Mourou, G. A., T. Tajima, and S. V. Bulanov, Optics in the relativistic regime; § XI Nonlinear QED, Reviews of Modern Physics vol. 78 (no. 2), 309-371 (2006) pdf file بایگانی‌شده در ۱۶ اکتبر ۲۰۰۳ توسط Wayback Machine.
13. Holger Gies; Joerg Jaeckel; Andreas Ringwald (2006). "Polarized Light Propagating in a Magnetic Field as a Probe of Millicharged Fermions". Physical Review Letters. 97 (14). arXiv:hep-ph/0607118. Bibcode:2006PhRvL..97n0402G. doi:10.1103/PhysRevLett.97.140402.
14. Davis; Joseph Harris; Gammon; Smolyaninov; Kyuman Cho (2007). "Experimental Challenges Involved in Searches for Axion-Like Particles and Nonlinear Quantum Electrodynamic Effects by Sensitive Optical Techniques". arXiv:0704.0748 [hep-th].
15. Myron Wyn Evans, Stanisław Kielich (1994). Modern nonlinear optics, Volume 85, Part 3. John Wiley & Sons. p. 462. ISBN 0-471-57548-8. For all field states that have classical analog the field quadrature variances are also greater than or equal to this commutator.
16. David Nikolaevich Klyshko (1988). Photons and nonlinear optics. Taylor & Francis. p. 126. ISBN 2-88124-669-9.
17. Milton K. Munitz (1990). Cosmic Understanding: Philosophy and Science of the Universe. Princeton University Press. p. 132. ISBN 0-691-02059-0. The spontaneous, temporary emergence of particles from vacuum is called a "vacuum fluctuation".
18. For an example, see P. C. W. Davies (1982). The accidental universe. Cambridge University Press. p. 106. ISBN 0-521-28692-1.
19. A vaguer description is provided by Jonathan Allday (2002). Quarks, leptons and the big bang (2nd ed.). CRC Press. pp. 224 ff. ISBN 0-7503-0806-0. The interaction will last for a certain duration Δt. This implies that the amplitude for the total energy involved in the interaction is spread over a range of energies ΔE.
20. This "borrowing" idea has led to proposals for using the zero-point energy of vacuum as an infinite reservoir and a variety of "camps" about this interpretation. See, for example, Moray B. King (2001). Quest for zero point energy: engineering principles for 'free energy' inventions. Adventures Unlimited Press. pp. 124 ff. ISBN 0-932813-94-1.
21. Quantities satisfying a canonical commutation rule are said to be noncompatible observables, by which is meant that they can both be measured simultaneously only with limited precision. See Kiyosi Itô (1993). "§ 351 (XX.23) C: Canonical commutation relations". Encyclopedic dictionary of mathematics (2nd ed.). MIT Press. p. 1303. ISBN 0-262-59020-4.

برای مطالعه بیشتر

• Free pdf copy of The Structured Vacuum - thinking about nothing by Johann Rafelski and Berndt Muller (1985) ISBN 3-87144-889-3.
• M.E. Peskin and D.V. Schroeder, An introduction to Quantum Field Theory.
• H. Genz, Nothingness: The Science of Empty Space
• Puthoff, H. E.; Little, S. R.; Ibison, M. (2001). "Engineering the Zero-Point Field and Polarizable Vacuum for Interstellar Flight". arXiv:astro-ph/0107316.
• E. W. Davis, V. L. Teofilo, B. Haisch, H. E. Puthoff, L. J. Nickisch, A. Rueda and D. C. Cole(2006)"Review of Experimental Concepts for Studying the Quantum Vacuum Field"

پیوند به بیرون

• انرژی به ماده