Was ist „Energie“ eines Vakuums im Kontext der Quantentheorie?

Ich bin kein Physiker oder Kosmologe, also hoffe ich, dass ich hier die richtige Frage mit den richtigen Worten stelle.

Meine Frage bezieht sich auf das Wort "Energie" in Bezug auf Quantenvakuumzustände und auf Konzepte wie Lawrence Krauses Theorie "etwas aus dem Nichts".

Wenn ich das Wort „nichts“ höre, stelle ich mir eine „Leere“ vor, die eine leere Menge ist. Aber Krause, Eva Silverstein und J. Richard Gott (2-stündiges YouTube-Video der Debatte über „nichts“, moderiert von Neil deGrasse Tyson – letztes URL-Segment = watch?v=sNh-pY3hJnY) scheinen das zu sagen, wenn ich das richtig verstehe diese Leere einen Energiezustand ungleich Null hat und dass Quantenfluktuationen aus diesem Grund "etwas" aus dem Nichts erschaffen.

Ich muss sagen, dass das für mich ein bisschen nach Handwinken und Wieselworten klingt, aber vielleicht begeht meine Unwissenheit Unrecht.

Aber wenn dies der Fall ist, ist dieses „Nichts“ tatsächlich eine Leere? Energie ist etwas, und das würde dazu führen, dass „nichts“ etwas enthält. Und ich verstehe nicht, wie das so sein könnte.

Die Frage: Was genau ist „Energie“. In diesem Zusammenhang klingt es sehr nach Phlebotin.

Schauen Sie sich Wikipedia an Quantenharmonischer Oszillator . Sie werden sehen, dass die niedrigere Energie nicht Null ist, weil der Orts- und der Impulsoperator nicht kommutieren. In der Quantenfeldtheorie ist das Verhalten relativistischer bosonischer Felder genau das gleiche (ein relativistisches bosonisches Feld ist nur eine Summe unabhängiger harmonischer Quantenoszillatoren, die durch Impuls und schließlich Spin gekennzeichnet sind).
Aus mathematischer Sicht ist das Vakuum in Quantenfeldtheorien nicht die leere Menge. Es ist ein präziser Vektor des (Hilbert-)Raums jeder einzelnen Theorie. Hat also andere Eigenschaften als die leere Menge.
Siehe auch Casimir-Effekt für eine Realisierung physikalischer Kräfte, die aus dem Vakuum entstehen.
Das Problem mit „wahrem Nichts“ ist, dass es unphysikalisch ist: Man nehme ein Raumvolumen und entferne „alles“, und am Ende erhält man nicht „nichts“, sondern das Vakuum, das philosophisch gesehen ein „etwas“ ist '. Krauss geht einen Schritt über das Vakuum hinaus und geht davon aus, dass die Raumzeit sowie die Gesetze der Physik, wie wir sie kennen, dynamisch (z. B. durch Symmetriebrechung) aus dem wahren Grundzustand einer Theorie der Quantengravitation hervorgehen. Dieser Grundzustand ist das, was er „Nichts“ nennt.

Antworten (2)

Ich denke, die wichtigste konzeptionelle Hürde ist, dass der Vakuumzustand nicht nichts ist .

Die Quantenfeldtheorie beschreibt Materie als Anregungen in Quantenfeldern. Diese Quantenfelder sind sehr seltsame Dinge, und ich kenne keinen einfachen Weg, einem Nichtphysiker zu erklären, was ein Quantenfeld ist. Das Entscheidende ist, dass die Quantenfelder die gesamte Raumzeit ausfüllen. Ein Vakuum ist also nicht nichts , sondern der niedrigste Energiezustand der Quantenfelder. Dieser niedrigste Energiezustand ist nicht Nullenergie, es ist nur der Zustand, aus dem es unmöglich ist, Energie zu extrahieren – das macht ihn am niedrigsten .

So gesehen sieht die Sache (hoffentlich) weniger mysteriös aus. Die Schwankungen schaffen nicht etwas aus dem Nichts. Das Nichts enthält tatsächlich Quantenfelder und die Fluktuationen sind Fluktuationen in diesen Quantenfeldern.

Kennen Sie eine einfache Möglichkeit, einem Physiker zu erklären, was ein Quantenfeld ist?
@tparker nein :-)

Die Antwort von John Rennie ist bereits gut, aber ich möchte einen Punkt hinzufügen: Diese Schwankungen sind sehr, sehr kurz. In der Quantenmechanik gibt es die Heisenbergsche Unschärferelation, die oft als angegeben wird

Δ X ⋅ Δ P ≤ ℏ 2
und das bedeutet, dass Sie für jedes Quantenobjekt (denken Sie an ein Elektron oder ein Positron, das in einer solchen Vakuumschwankung entsteht) niemals gleichzeitig seinen Ort und seinen Impuls (der Masse mal Geschwindigkeit ist) kennen. Dies ist vielleicht nicht so intuitiv, aber mit etwas grundlegender Mathematik ist es möglich zu zeigen, dass Sie dieses Prinzip genauso formulieren können
Δ E ⋅ Δ T ≤ ℏ 2
also ist Energie mal Zeit (der Existenz!) dieses Teilchens kleiner als eine sehr sehr kleine Zahl. Und da die Energie des Teilchens ziemlich hoch ist (zumindest muss es seine Masse haben, die nur eine andere Form von Energie ist, erinnern Sie sich an Einsteins E = M C 2 ) seine Lebensdauer ist extrem kurz.

Und in der Tat, wenn Sie das Vakuum länger betrachten und die durchschnittliche Energie, die Sie gesehen haben, nehmen, ist es tatsächlich Null (weil es, wie John sagte, definiert ist, dass das Extrahieren von Energie nicht möglich ist), aber aus dem Durchschnitt nicht enthalten keine Informationen über den Zustand zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Diese Informationen sind nützlich, aber ich bin mir nicht sicher, ob sie meine Frage direkt beantworten. Dies ist wahrscheinlich meine Schuld dafür, dass ich mit Erwähnungen des Kontexts, auf den ich mich beziehe, "überall auf der Straße" bin. Sie erwähnen die "durchschnittliche Energie" des Vakuums; Also, was ist diese Energie? Woraus ist es GEMACHT oder woraus besteht es?
@OldGuyinStanton Energie ist eine abstrakte Größe. Per physikalischer Definition ist es die Fähigkeit eines Systems, „Arbeit“ zu leisten. In der klassischen Mechanik ist dies offensichtlich und ziemlich einfach zu verstehen. Und diese Definitionen wurden mit der Entwicklung der modernen Physik erweitert und verallgemeinert ... Aber Energie ist nicht "aus", sie "existiert" nicht - es ist nur eine Zahl, um das System / Objekt / Universum innerhalb des gegebenen axiomatischen Rahmens zu beschreiben der Physik...
Die Heisenberg-Ungleichungen sind oben invertiert. Sollte sein ≥ , und nicht ≤ .
Was ist „Energie“ eines Vakuums im Kontext der Quantentheorie?
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