Was versteht man unter „Nichts“ in der Physik/Quantenphysik?

In der Physik wird im Allgemeinen "Nichts" als niedrigster Energiezustand einer Theorie angesehen. Wir würden normalerweise nicht das Wort "nichts" verwenden, sondern stattdessen den niedrigsten Energiezustand als "Vakuum" bezeichnen. Ich kann mir keinen intuitiven Weg vorstellen, das QM-Vakuum zu beschreiben, weil alle offensichtlichen Analogien "etwas" anstelle von nichts "nichts" haben, also werde ich mein Bestes tun, aber Sie finden die Idee vielleicht immer noch schwer zu verstehen. Das geht nicht nur dir so – jeder findet es schwer zu begreifen.

Beginnen Sie mit der klassischen Beschreibung eines elektrischen Feldes ( Maxwellsche Gleichungen ). Es ist nicht allzu schwer, sich ein elektrisches Feld als raumfüllendes Feld vorzustellen. Sie können das Feld sogar fühlen: Wenn Sie beispielsweise Ihre Hand in die Nähe eines alten Fernsehbildschirms halten, können Sie die statische Elektrizität spüren. Sie können sich vorstellen, das elektrische Feld herunterzuregeln, bis es vollständig verschwindet, in diesem Fall bleibt das Vakuum, dh nichts.

Stellen Sie sich nun das gleiche Feld vor, aber dieses Mal verwenden wir die Quantenbeschreibung des Feldes ( Quantenelektrodynamik anstelle von Maxells Gleichungen). Auf der klassischen Ebene entspricht das Feld ungefähr der Beschreibung der Maxwell-Gleichungen, aber jetzt haben wir Schwankungen im Feld aufgrund der Energie-Zeit-Unschärferelation. Stellen Sie sich wie zuvor vor, das elektrische Feld herunterzudrehen, bis es verschwindet. Im Gegensatz zur klassischen Beschreibung kann das (durchschnittliche) elektrische Feld verschwinden, die Schwankungen jedoch nicht. Das bedeutet, dass sich das Quantenvakuum vom klassischen Vakuum unterscheidet, da es die Fluktuationen enthält, auch nachdem Sie das Feld auf Null heruntergedreht haben.

Der entscheidende Punkt ist, wenn ich sage "Drehen Sie das Feld herunter", meine ich damit, die Energie auf das niedrigste Maß zu reduzieren, dh Sie können die Energie des elektrischen Felds nicht niedriger machen. Definitionsgemäß nennen wir das „Vakuum“, obwohl es nicht leer ist (dh es enthält die Fluktuationen). Leerer kann man das Vakuum nicht machen, weil die Schwankungen immer da sind und man sie nicht beseitigen kann.

Auf einer noch abstrakteren Ebene (und inspiriert von der TV-Analogie von John Rennie): Sie scheinen an „Nichts“ das Äquivalent eines schwarzen Fernsehbildschirms zu denken. In der modernen Physik ähnelt "Nichts" dem Rauschen zwischen Fernsehsendern.

Wenn wir "nichts" mit "null" und "etwas" mit "nicht-null" gleichsetzen, ist der Vakuumzustand sowohl "nichts" als auch "etwas".

Der "Nichts"-Teil des Vakuumzustands als theoretisches Objekt besteht darin, dass der Mittelwert einer Reihe von Messungen des Felds Null sein wird. Der "etwas"-Teil des Vakuumzustands besteht darin, dass der Wert jeder einzelnen Messung im Allgemeinen nicht Null sein wird. Wenn wir einzelne Messergebnisse und ihre zeitlichen Schwankungen nicht vorhersagen können, stellen wir häufig fest, dass wir Durchschnittswerte und deren zeitliche Schwankungen vorhersagen können .

Die Antwort eines Physikers wird hier höchstwahrscheinlich technische Aspekte haben. Im obigen muss "Messungen des Feldes" so verstanden werden, dass es ziemlich theoretische Konnotationen hat. John Rennie hat heldenhaft gearbeitet, aber letztendlich muss man daran arbeiten, ein intimer Freund der Mathematik und ihrer Beziehung zum Experiment zu sein.

Sie scheinen zu versuchen, "nichts" zu etwas zu machen, das sich vage von jeder mathematischen Idee unterscheidet.

Einfache Antwort auf die einfache Frage Ja, das ist definitiv eine Fehlbezeichnung.

Nichts bedeutet in der Physik den Grundzustand. Ich werde versuchen, das Wort "nichts" in meiner Beschreibung nicht zu verwenden.

Sanfte Antwort:

Einfach ausgedrückt, wenn ich mit null Äpfeln beginne und einen Apfel hinzufüge, dann diesen Apfel esse, bevor Sie ihn sehen (und kontinuierlich so schnell addieren und subtrahieren, wie sie hinzugefügt werden), wird das Wort dafür verwendet, dass es etwas gab, aber wann Sie haben überprüft, dass Sie die Antwort von Null erhalten haben, was genau das ist, womit ich begonnen habe (der Basiszustand), es ist nur eine fast genaue Beschreibung eines QED-Vakuums

Der notwendige physikalische Teil lautet:
„Die Quantentheorie behauptet, dass ein Vakuum, selbst das vollkommenste Vakuum ohne jegliche Materie, nicht wirklich leer ist. Vielmehr kann das Quantenvakuum als ein Meer von kontinuierlich erscheinenden und verschwindenden [Paaren von] Teilchen dargestellt werden, die sich in dem scheinbaren Gedränge der Teilchen manifestieren, das sich deutlich von ihren thermischen Bewegungen unterscheidet. Diese Partikel sind „virtuell“, im Gegensatz zu echten Partikeln. ... Das Vakuum ist zu jedem beliebigen Zeitpunkt voll von solchen virtuellen Paaren, die ihre Signatur hinterlassen, indem sie die Energieniveaus von Atomen beeinflussen.“

Ich bin kein Physiker, aber basierend auf Studien, die ich durchgeführt habe: Alle Arten von Elementarteilchen und Kräften haben auch Felder im gesamten Universum. und Felder sind immer da, also selbst wenn wir an einem Ort kein Teilchen sehen, bedeutet das nicht, dass an diesem Ort "nichts" ist, weil Felder immer da sind. basierend auf dem Unsicherheitsprinzip Da wir die Energie eines bestimmten Systems in einer bestimmten Zeit nicht genau berechnen können, lautet die Schlussfolgerung, dass die Energie des Systems nicht absolut Null sein kann. Daher treten Änderungen in den Feldern auf, selbst an Orten, von denen wir glauben, dass dies der Fall ist leer. in diesem Fall leihen sich virtuelle Teilchen und virtuelle Antiteilchen Energie vom System, um zu existieren, und dann kollidieren sie nach kurzer Zeit miteinander und geben diese Energie an das System zurück. Also eigentlich gibt es "nichts" nicht. Verzeihen Sie mir mein schlechtes Englisch.