真空態
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在量子場論中，量子真空態（英語：Vacuum state）是具有最低能量的量子態。通常，它不包含物理粒子。零點場有時用作單個量化場的真空狀態的同義詞。
根據現在對真空狀態或量子真空的理解，它「絕不是一個簡單的空白空間」[1]。根據量子力學，真空狀態並非真正空洞，而是包含瞬間存在的電磁波和粒子[2]。
量子電動力學（QED）的QED真空是量子場論的第一個真空。 QED起源於20世紀30年代，在20世紀40年代末和50年代初由費曼，朝永振一郎和施溫格重新定義，他們在1965年共同獲得諾貝爾獎[3]。今天，電磁相互作用和弱相互作用在電弱相互作用理論中是統一的。
標準模型是量子電動力學工作的概括，包括所有已知的基本粒子及其相互作用（重力除外）。量子色動力學是標準模型中處理強相互作用的部分，而QCD真空是量子色動力學的真空。它是大型強子對撞機和相對論重離子對撞機的研究對象，與強相互作用的真空結構有關[4]。
非零期望值
如果量子場理論可以通過擾動理論準確描述，那麼真空的性質類似於量子力學諧振子的基態特性，或者更準確地說，是測量問題的基態。在這種情況下，任何量子場的真空期望值（VEV）都會消失。對於擾動理論在低能量下分解的量子場理論（例如，量子色動力學或BCS超導理論），量子場可能具有非消失的真空期望值，稱為冷凝物。在標準模型中，由自發對稱破缺引起的希格斯場的非零真空期望值是理論中其他場獲得質量的機制。
能源
在許多情況下，真空狀態可以被定義為具有零能量，儘管實際情況更加複雜。真空狀態與零點能量相關，這種零點能量具有可測量的效果。在實驗室中，它可能被檢測為卡西米爾效應。在物理宇宙學中，宇宙真空的能量表現為宇宙常數。實際上，一個立方厘米的空白空間的能量已被計算為erg（或0.6 eV）的萬億分之一。
對稱性
對於相對論，真空是龐加萊群不變量，它遵循Wightman公理，但也可以在沒有這些公理的情況下直接證明。[5]
介電常數
原則上，對麥克斯韋方程的量子修正可以使真空狀態的實驗電容率ε偏離電常數的定義標量值ε0[6]特別是，量子電動力學理論預測QED真空應該表現出非線性效應，使其表現得像雙折射材料，對於極強電場，ε略大於ε0。[7]還提出了粒子物理學，外量子電動力學對二向色性的解釋。到目前為止，積極嘗試衡量這種影響已經產生了負面結果。
量子真空的物理性質
根據阿斯特麗德·蘭布雷希特（Astrid Lambrecht，2002）的說法：「當一個人清空所有物質的空間並將溫度降低到絕對零度時，就會在Gedankenexperiment中產生量子真空狀態。」[8]根據福勒&愛德華·A·古根海姆(Edward A. Guggenheim)(1939/1965) 的規定, 熱力學第三定律可準確地表述如下:"通過任何程序, 無論多麼理想化, 都不可能在有限數量的操作中將任何程序集減少到絕對零度。"光子 - 光子相互作用只能通過與某些其他場的真空狀態的相互作用發生，例如通過拉克電子 - 正電子真空場;這與真空極化的概念有關。根據彼得·米隆尼（1994）的觀點：「......所有的量子場都具有零點能量和真空波動。」這意味着每個分量場都有量子真空的一個分量（在概念上沒有考慮）其他領域），如電磁場，狄拉克電子 - 正電子場等。根據彼得·米隆尼（1994）的觀點，歸因於真空電磁場的一些影響可以有幾種物理解釋，一些比其他更常規。通常提出不帶電導電板之間的卡西米爾吸引力作為真空電磁場效應的一個例子。 彼得·米隆尼(1994）引用施溫格，DeRaad和Milton（1978）的一種模型來解釋卡西米爾效應，其中「真空被認為是真正的所有物理性質等於零的狀態。」[1] （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）在該模型中，觀察到的現象被解釋為電子運動對電磁場的影響，稱為源場效應。米隆尼寫道:"這裡的基本思想將是卡西米爾力可以從源場單獨來自, 即使在完全傳統的QED,..Milonni 提供了詳細的論點, 通常歸因於真空電磁場的可測量物理效應不能僅僅用該場來解釋, 但還需要電子的自能或其自身能量的貢獻。輻射反應。他寫道: "輻射反應和真空場是兩個方面的事情是相同的事情, 當涉及到各種QED過程的物理解釋, 包括蘭姆位移, 范德華力, 卡西米爾效應。"[9]賈菲(Jaffe)(2005年) 也提出了這一觀點: "卡西米爾力可以在不考慮真空波動的情況下計算, 與QED中的所有其他可觀察到的效應一樣, 它消失的是精細結構常數α, 為零。"[10]
參考資料
- ^ Laser Physics at the Limits. [2019-01-30]. （原始內容存檔於2019-06-12）.
- ^ Focus: The Force of Empty Space. [2019-01-30]. （原始內容存檔於2011-09-27）.
- ^ Historical Encyclopedia of Natural and Mathematical Sciences, Volume 1. [2019-01-30]. （原始內容存檔於2019-06-09）.
- ^ Hadrons and Quark–Gluon Plasma
- ^ Bednorz, Adam. Relativistic invariance of the vacuum. The European Physical Journal C. 2013-11-26, 73 (12): 2654. ISSN 1434-6052. doi:10.1140/epjc/s10052-013-2654-9 （英語）.
- ^ Delphenich, D. H. Nonlinear optical analogies in quantum electrodynamics. arXiv:hep-th/0610088. 2006-10-08 [2019-01-30]. （原始內容存檔於2019-06-17）.
- ^ Klein, James J.; Nigam, B. P. Birefringence of the Vacuum. Physical Review. 1964-09-07, 135 (5B): B1279–B1280. doi:10.1103/PhysRev.135.B1279.
- ^ Laser Physics at the Limits
- ^ Milonni, P.W. (1994). The Quantum Vacuum. An Introduction to Quantum Electrodynamics, Academic Press, Inc., Boston, ISBN 0-12-498080-5, page 418.
- ^ Jaffe, R.L. (2005). Casimir effect and the quantum vacuum, Phys. Rev. D 72: 021301(R), http://xn--15-41t.cua.mit.edu/8.422_s07/jaffe2005_casimir.pdf[永久失效連結]