Was passiert wirklich im Vakuum?

Ich glaube nicht, dass das Teilchen-Antiteilchen-Bild sehr gut ist, um zu verstehen, was vor sich geht. Im Wesentlichen ist es eine Folge der Nullpunktsenergie . In der klassischen Physik ist der niedrigste Energiezustand eines Systems, sein Grundzustand, Null. In der Quantenmechanik ist es ein Wert ungleich Null (aber sehr klein). Wie diese Nullpunktsenergie entsteht, lässt sich am einfachsten anhand eines elementaren Problems der Quantenmechanik, des harmonischen Quantenoszillators, nachvollziehen. Der klassische harmonische Oszillator ist ein System, bei dem eine Rückstellkraft proportional zur Auslenkung vorhanden ist. Zum Beispiel eine Feder – je weiter Sie das Ende einer Feder ziehen, desto mehr Kraft widersteht die Feder Ihrem Zug. Die Modellierung dieses Systems in der klassischen Physik ist sehr einfach.Wellenfunktion , die die Wahrscheinlichkeiten codiert, das Teilchen an bestimmten Positionen zu finden. Eine weitere Eigenschaft von Quantensystemen ist, dass ihre Energien in diskreten Energieniveaus vorliegen. Wenn Sie daran interessiert sind, wie es funktioniert, können Sie hier sehen . Sie können das folgende Ergebnis für die Energieniveaus des Teilchens ableiten

In einem praktischen Beispiel gefriert flüssiges Helium wegen seiner Nullpunktsenergie unter atmosphärischem Druck bei keiner Temperatur. Eine sehr wichtige Sache, die zu beachten ist, ist die folgende: Die Nullpunktsenergie verletzt nicht die Energieerhaltung . Eine gängige Erklärung ist, dass die Unschärferelation es Partikeln erlaubt, sie zu verletzen, „wenn sie schnell genug sind!“. Das ist einfach nicht wahr. Aus der Wiki-Seite zur Energieeinsparung:

In der Quantenmechanik wird die Energie eines Quantensystems durch einen selbstadjungierten (Hermite) Operator namens Hamiltonian beschrieben, der auf den Hilbert-Raum (oder einen Raum von Wellenfunktionen) des Systems einwirkt. Wenn der Hamilton-Operator ein zeitunabhängiger Operator ist, ändert sich die Entstehungswahrscheinlichkeit des Messergebnisses zeitlich nicht über die Evolution des Systems. Damit ist auch der Erwartungswert der Energie zeitunabhängig. Die lokale Energieerhaltung in der Quantenfeldtheorie wird durch den Satz des Quanten-Noethers für den Energie-Impuls-Tensor-Operator sichergestellt. Beachten Sie, dass aufgrund des Fehlens des (universellen) Zeitoperators in der Quantentheorie die Unsicherheitsrelationen für Zeit und Energie im Gegensatz zum Ort-Impuls-Unschärfeprinzip nicht grundlegend sind und nur in bestimmten Fällen gelten (siehe Unsicherheitsprinzip). Energie zu jedem festen Zeitpunkt kann im Prinzip ohne jedes Problem, das durch die Zeit-Energie-Unschärferelationen verursacht wird, genau gemessen werden. Somit ist die Erhaltung der Energie in der Zeit sogar in der Quantenmechanik ein wohldefiniertes Konzept.

Nun zu Ihrer Frage – in der Quantenfeldtheorie werden alle Teilchen als Anregungen von Feldern modelliert. Das heißt, jedes Teilchen hat ein zugehöriges Feld. Für die Teilchen, die Kräfte tragen, sind das die bekannten Kraftfelder – etwa das elektromagnetische Feld. Felder nehmen überall im Raum einen Wert an. Nun, in der klassischen Mechanik wäre dieser Wert an den meisten Stellen Null. Wie wir jedoch oben gesehen haben, ist der Grundzustand eines Quantenfelds ungleich Null. Selbst im leeren Raum (oder „freien Raum“) haben diese Felder also einen sehr kleinen Wert. Leerer Raum hat also Vakuumenergie .

Nichts geht weiter; das Vakuum ist völlig inert.

In der Quantenfeldtheorie ist das Vakuum der Zustand, der überall im Raum und zu jeder Zeit genau null Teilchen enthält. Da es sich um einen Eigenzustand des Zahlenoperators handelt, besteht darüber keinerlei Unsicherheit.

Virtuelle Teilchen existieren nicht in der Zeit, außer in einem (buchstäblich) übertragenen Sinne. Sie haben keine assoziierten Zustände, daher keine Erwartungen, Wahrscheinlichkeiten, Ungewissheiten. Siehe https://www.physicsforums.com/insights/misconceptions-virtual-particles/

Ihre Frage wurde in zwei Physics.StackExchange-Artikeln behandelt: are-elementary-particles-actually-more-elementary-than-quasiparticles und what-is-the-relationship-between-string-net-theory-and-string-m- Theorie

Kurz gesagt, Vakuum ist kein inertes, sondern ein dynamisches Medium. Der Casimir-Effekt hat experimentell gezeigt, dass Vakuum tatsächlich ein dynamisches Medium ist. Als dynamisches Medium kann Vakuum Bewegungen haben, was die Welle im Vakuum ist. Diese Wellen sind kollektive Anregungen, die den Elementarteilchen im Vakuum entsprechen. Die Ordnung in einem solchen Vakuummedium bestimmt die Natur der Elementarteilchen. Wenn das Vakuum-Medium zum Beispiel eine Quantenstring-Flüssigkeit (mit topologischer Ordnung ) ist, wird seine Welle die Maxwell-Gleichung erfüllen, die Photonen entspricht. Die Enden der Strings entsprechen Elektronen/Quarks.