Vakuumsvingninger

Vakuum svingninger , quantum - og null omsetning , er begreper som i sammenheng med kvantefeltteori benyttes. Det er nært knyttet til vakuumpolarisering . Begrepet er noen ganger avledet fra det kvantemekaniske usikkerhetsforholdet mellom energi og tid . Det er ofte assosiert med virtuelle partikler .

Pioner innen vakuumsvingninger Shin'ichirō Tomonaga (1965)

Konseptvekst i kvantefeltsteori

I fysikk forstås svingninger som den tilfeldige endringen i en tilnærmet konstant systemstørrelse. I denne forstand er imidlertid vakuumsvingningen ikke å forstå. Den vakuum er ensartet i tid og rom, og endres ikke i det hele tatt.

I formlene i kvantefeltteori av Werner Heisenberg og Wolfgang Pauli , infinities vises, som Richard Feynman og Julian Seymour Schwinger i 1948 og litt tidligere under krigen ved Shin'ichirō Tomonaga løst gjennom renormalisering . I forbindelse med de resulterende begrepene utviklet fysikerne ideen om skyer av virtuelle partikler som omgir partiklene til klassisk, ikke-forstyrrelsesteoretisk elektrodynamikk . I fantasien kan virtuelle partikler reabsorberes reelt og umiddelbart på veldig kort tid. Den resulterende svingningen i energi endrer den målbare massen og ladningen til partiklene. Denne svingningen er derfor allerede inneholdt i de observerbare partiklene som elektroner eller fotoner og kan aldri sees isolert. Disse virtuelle partiklene har ingen fysisk betydning, så vakuumsvingningen må ikke forveksles med parformasjonen .

Vakuumsvingninger i den eksperimentelle utøvelsen av fysikk

Siden rundt 2010 har det vært flere og flere fysiske eksperimenter som hevder å ha målt vakuumsvingningen. Noen av eksperimentene er oppført nedenfor.

Matematikeren Arnold Neumaier undersøker kritisk bruken av begrepet vakuumfluktuasjon i et forumbidrag. Han understreker at bruken av vakuumforventningsverdier ikke er en veiledning for vakuumsvingninger, da disse forventningsverdiene vil vises i alle beregninger så lenge de utføres i en forstyrrende setting. I ikke-forstyrrende studier av kvantefeltteorier på gitteret så ingen det minste spor av vakuumsvingninger.

Casimir-effekten

Tidligere ble Casimir-effekten (tiltrekningskrefter mellom parallelle metallplater) sett på som et bevis på at vakuumsvingninger eller virtuelle partikler kunne ha en uavhengig fysisk betydning.

Robert Jaffe viste imidlertid i 2005 at disse effektene av kvantemekanisk forstyrrelsesteori også uten kan være avledet vakuumsvingninger. Casimir-effekten er allerede et resultat av Van der Waals-interaksjonen for plater med uendelig utvidelse og ledningsevne . Selv Joseph Cugnon har bekreftet at årsaken til Casimir-effekten med van der Waals-interaksjonen er mer å forklare.

Dynamisk Casimir-effekt

Fysikeren Gerald T. Moore avledet fra kvantefeltteori i 1970 at virtuelle partikler som er i vakuum kan bli virkelige når de reflekteres av et speil som beveger seg nesten med lysets hastighet . Senere ble den også kalt den dynamiske Casimir-effekten.

I 2008 viste imidlertid Haro og Elizalde at denne effekten skyldtes mer varmeutslipp .

I 2011 implementerte et team av svenske forskere fra Chalmers University of Technology ideen om et raskt roterende speil ved å kjøle en SQUID til nesten null og få den til å vibrere ved hjelp av et eksternt magnetfelt. Dette produserte målbare fotoner hvis energispektrum var symmetrisk til halvparten av frekvensen til det oscillerende fiktive speilet. Fra dette konkluderte forskerne med at de hadde målt den dynamiske Casimir-effekten.

Målinger

Målinger med veldig korte laserpulser

I 2015 uttalte fysikere ved Universitetet i Konstanz at de direkte viste vakuumsvingninger i det elektromagnetiske feltet. Med en veldig kort laserpuls i området femtosekund ble det målt effekter som forskerne bare kan forklare ved hjelp av vakuumsvingninger. Leitenstorfer og kolleger kommer til den konklusjonen at de observerte effektene ble utløst av virtuelle fotoner .

Målinger av superledende områder i kondensert materiale

Kvantfaseoverganger skjer i kondensert materiale når fysiske parametere som ikke er temperaturlignende, for eksempel trykk , kjemisk sammensetning eller et magnetfelt , varieres ved absolutt temperatur null . Den respektive faseovergangen (for eksempel overgangen fra en isolator til en superleder ) utløses, ifølge forskerne, av kvantesvingninger og ikke av termiske svingninger. Forskere ved Bar Ilan University undersøkte ekstremt tynne lag av en niob-titan-nitrogen superleder nær absolutt null. Ved hjelp av en SQUID ble det funnet at de superledende områdene endres over tid, dvs. svinger i tid og rom. Kunnskapen som er oppnådd kan være nyttig i utviklingen av kvantecomputere .

Målinger på gravitasjonsbølgedetektorer

I 2020 brukte forskere LIGO for første gang å rapportere at de målte effekten av kvantesvingninger på makroskopiske gjenstander av menneskelig størrelse - på bevegelsen av 40 kg speilet til LIGO observatorium interferometer detektorer. Målet med forskningen er å forbedre følsomheten til gravitasjonsbølgedetektorer som bruker presset lys for å måle gravitasjonsbølger . Ved å korrelere skudd støy og en postulerte kvante støy (referert til i artikkelen som QRPN = " q uantum r adiation p rykk n oise"), følsomheten av detektorene kan forbedres, hvorfra Forskerne konkluderer med at Quantum svingninger kan måles direkte.

Målinger av muons magnetiske anomali

Fysikere har lenge målt det avvikende magnetiske øyeblikket til elementære partikler. I målingene for muon i april 2021 ble det funnet avvik fra spådommene i standardmodellen. I anledning de funnet forskjellene ble verdien for muonen beregnet på nytt med superdatamaskiner basert på standardmodellen. En del av det uregelmessige magnetiske momentet blir i den engelske artikkelen referert til som hadron-vakuum-polarisering . I denne sammenhengen snakker forskerne som har beregnet andelen hadron vakuumpolarisering (LO-HVP), som Josef M. Gaßner, om vakuum eller kvantesvingninger.

Bruk av termer i fysiske leksikoner

I forskjellige artikler er vakuumfluktuasjon, antatt nullpunktsenergi , som også kalles vakuumenergi, noen ganger avledet fra usikkerhetsforholdet mellom tid og energi.

Noen ganger får man inntrykk av at disse svingningene kan utløse fysiske effekter. Vakuumsvingninger blir sitert som bevis på at det kvantemekaniske vakuumet ikke er "tomt" i klassisk forstand. Vakuumsvingninger blir også av og til sett på som en mulig forklaring på den mørke energien , men de beregnede verdiene avviker med en faktor på 10 120 (problem med den kosmologiske konstanten ).

litteratur

Individuelle bevis

  1. ^ Arnold Neumaier: Fysikken til virtuelle partikler . 28. mars 2016. Tilgang januar 2017.
  2. ↑ Hendrik van Hees: Introduksjon til relativistisk kvantefeltteori . S. 127 ff. Februar 2016. Besøkt februar 2017.
  3. ^ Arnold Neumaier: Vakuumsvingninger i eksperimentell praksis . 19. januar 2017. Tilgang 31. januar 2019.
  4. ^ RL Jaffe Casimir-effekt og kvantevakuumet. Physical Review D, 2005, Volum 72, nr. 2, s. 021301. arxiv : hep-th / 0503158
  5. ↑ Joseph Cugnon: The Casimir Effect and the Vacuum Energy: Duality in the Physical Interpretation. I: Few-Body Systems. 53.1-2 (2012), s. 181-188. ulg.ac.be (PDF)
  6. Ald Gerald T. Moore: Quantum Theory of the Electromagnetic Field in a Variable-Length One-Dimensional Cavity . September 1970, bibcode : 1970JMP .... 11.2679M .
  7. Ume Jaume Haro og Emilio Elizalde: Svart hulls kollaps simulert av vakuumsvingninger med et bevegelig halvt gjennomsiktig speil . Februar 2008, doi : 10.1103 / PhysRevD.77.045011 , arxiv : 0712.4141 .
  8. ^ P. Delsing, F. Nori, T. Duty, JR Johansson, M. Simoen: Observasjon av den dynamiske Casimir-effekten i en superledende krets . I: Natur . teip 479 , nr. 7373 , november 2011, ISSN  1476-4687 , s. 376–379 , doi : 10.1038 / nature10561 , arxiv : 1105.4714 .
  9. Üd Rüdiger Vaas: Ingenting kommer fra ingenting . Januar 2012. Tilgang til november 2011.
  10. Ike Maike Pollmann: Lys generert fra et vakuum . November 2016. Åpnet januar 2017.
  11. ↑ C. Riek, DV Seletskiy, AS Moskalenko, JF Schmidt, P. Krauspe, S. Eckart, S. Eggert, G. Burkard, A. Leitenstorfer: Direct sampling of electric-field vacuum fluktuations (PDF) Hentet januar 2017.
  12. ↑ vakuumsvingninger . Arkivert fra originalen 21. januar 2017. Hentet januar 2017.
  13. ↑ Thomas Vojta: Kvantefaseoverganger . I: Computational Statistical Physics . Springer, Berlin, Heidelberg 2002, ISBN 978-3-642-07571-1 , pp. 211-226 , doi : 10.1007 / 978-3-662-04804-7_13 , arxiv : cond-mat / 0309604 .
  14. ↑ TR KIRKPATRICK, D. BELITZ: Kvantefaseoverganger i elektroniske systemer . I: Elektronkorrelasjon i fast tilstand . Imperial College Press, 2. jan 1999, s. 297-370 , doi : 10.1142 / 9781860944079_0005 , arxiv : cond-mat / 9707001v2 .
  15. ^ A. Kremen, H. Khan, YL Loh, TI Baturina, N. Trivedi, A. Frydman, B. Kalisky: Imaging quantum fluctuations near criticality . I: naturfysikk . teip 14. 20. august 2018, s. 1205-1210 , doi : 10.1038 / s41567-018-0264-z , arxiv : 1806.10972 .
  16. ↑ Bar-Ilan University, 21. august 2018 - NPO: Kvantesvingninger synliggjort . I: scinexx . MMCD NEW MEDIA, Düsseldorf ( scinexx.de [åpnet 15. mars 2021]).
  17. ↑ Yu Haocun L. McCuller M.Tse N. Kijbunchoo L. Barsotti N. Mavalvala: Kvantakorrelasjoner mellom lys og kilogram-massespeilene til LIGO . I: Natur . teip 583 , nr. 7814 , juli 2020, ISSN  1476-4687 , s. 43-47 , doi : 10.1038 / s41586-020-2420-8 , PMID 32612226 , arxiv : 2002.01519 (engelsk).
  18. ↑ Kvantesvingninger kan vrikke gjenstander på menneskelig skala (en) . I: phys.org . Tilgang til mars 2021. 
  19. ↑ Nadja Prodbregar: Kvantestøy beveger oss også . I: Scinexx Das Wissensmagazin , MMCD New Media, Düsseldorf, juli 2020. Tilgang i mars 2021. 
  20. ↑ B. Abi et al. Måling av den positive Muon Anomalous magnetisk moment til 0,46 ppm . I: Physical Review Letters . teip 126 , nr. 14. april 2021, doi : 10.1103 / PhysRevLett.126.141801 , arxiv : 2104.03281 (engelsk).
  21. ↑ Sz. Borsanyi, Z. Fodor ,, JN Guenther, C. Hoelbling, SD Katz, Lellouch, T. Lippert, K. Miura ,, L. Parato, KK Szabo, F. Stokes, BC Toth, Cs. Torok, L. Varnhorst: Ledende hadronisk bidrag til det magnetiske muonmomentet fra gitter QCD . I: naturen . teip 593 , 7. april 2021, s. 51-55 , doi : 10.1038 / s41586-021-03418-1 , arxiv : 2002.12347 .
  22. ↑ Josef M. Gaßner, München: Muon g-2 eksperiment . Tilgang til april 2021.
  23. ^ Henning Genz, Karlsruhe: Vakuum - 3,6 svingninger . Tilgang januar 2017.