Existiert Vakuum (leerer Raum)? [abgeschlossen]

Lieber GJ, „Vakuum“ und „leerer Raum“ ist immer dasselbe, aber man muss immer aufpassen, was diese beiden synonymen Begriffe bedeuten.

Die Allgemeine Relativitätstheorie impliziert, dass die einzige „Information“, die das Vakuum an jedem Punkt trägt, der sogenannte „metrische Tensor“ ist – eine Reihe von Zahlen, mit denen man die Entfernung zwischen zwei beliebigen nahegelegenen Punkten berechnen kann. Dies reicht aus, damit sich das Vakuum biegen kann - ähnlich wie jedes Material. Man braucht keine atomaren Bestandteile, um über die Geometrie des Raums sprechen zu können und um sicherzustellen, dass die Umgebung gekrümmt werden kann (und um einen flachen Bereich des Vakuums von einem gekrümmten zu unterscheiden).

Die Quantenfeldtheorie impliziert, dass das Vakuum voller virtueller Teilchen ist, die auftauchen und schnell wieder verschwinden. Diese virtuellen Teilchen wirken auf andere Objekte - zum Beispiel machen sie den Elektromagnetismus auf große Entfernungen etwas schwächer (und auf sehr kurze Entfernungen stärker) als man es vom klassischen Coulomb-Gesetz usw. erwarten würde.

Die Quantenmechanik impliziert jedoch, dass das Vakuum einem ganz bestimmten "Zustand" - einem Vektor auf dem Hilbert-Raum - genannt entspricht$|0\rangle$. Es ist völlig einzigartig und so leer wie möglich. Insbesondere ist es der Eigenzustand des Energieoperators mit der minimal erlaubten Energie – im Wesentlichen Null. (Genau genommen ist die Vakuumenergiedichte nichts anderes als die Größe der Dunklen Energie, aber diese Energie wird erst für riesige, kosmologische Raumvolumina ansehnlich.)

Die Unschärferelation der Quantenmechanik impliziert, dass man Dinge wie die Intensität des elektrischen Feldes im Vakuum misst – also wenn man das physikalische System im Zustand findet$|0\rangle$- man kann viele zufällige Werte bekommen. Es ist nicht erlaubt, dass die elektrischen und magnetischen Felder genau Null sind, ähnlich wie ein Teilchen in der Quantenmechanik eines Teilchens keine genau definierte Position und Geschwindigkeit haben kann.

Obwohl also das Vakuum eine wohldefinierte (minimale) Energie hat und so niedrig wie möglich ist, ist das Vakuum so leer wie möglich, und es gibt keine bestimmten "Atome" oder andere Teilchen, die im Vakuum sitzen , gibt es im Vakuum eine Menge Aktivität, was daran zu erkennen ist, dass die Messungen verschiedener Dinge, wie z. B. der Energiedichte an einem bestimmten Punkt, zu zufälligen Ergebnissen führen, die nicht genau null sind.

Nun, das Bild des Vakuums als "buchstäblich leerer Raum", der nur den metrischen Tensor an jedem Punkt hat; und das Quantenbild mit all der Aktivität virtueller Teilchen sind eigentlich voll kompatibel zueinander. Die Aussage der Allgemeinen Relativitätstheorie, dass der metrische Tensor an einem bestimmten Punkt bestimmte Werte hat, sollte jedoch als klassische Näherung angesehen werden: Genau genommen ist auch der metrische Tensor eine Menge von Operatoren. Sie werden unweigerlich variable und chaotische Werte haben, wenn sie gemessen werden - die nur "ungefähr Null" sind, wenn sie über ausreichend große Volumina gemittelt werden.

Das Konzept des Vakuums in der Physik stammt tatsächlich aus zwei verschiedenen Theorien.

Das Vakuum der Allgemeinen Relativitätstheorie ist eine Raum-Zeit-Modellregion ohne Materie. In der Allgemeinen Relativitätstheorie hat die gesamte Raumzeit eine "Krümmung", die sich auf die Metrik bezieht, die alle messbare Auswirkungen haben können, wie z. B. die Biegung von Lichtstrahlen (im Vakuum) in der Nähe eines massiven Objekts. Man sollte jedoch ein wenig vorsichtig sein, wie man das Vakuum des leeren Raums konzeptualisiert, da dort keine Ereignisse stattfinden, da es dort keine interagierende Materie gibt. Sobald wir wechselwirkende Materie haben, haben wir nicht mehr nur ein Vakuum. Auch die Allgemeine Relativitätstheorie hat einen Begriff eingeführt, der als Kosmologische Konstante bezeichnet wird$\Lambda$, von dem man sagen könnte, dass es die Krümmung des Vakuums auf kosmologischer Ebene misst.

In der Quantentheorie gibt es das etwas andere Konzept des "Vakuumzustands": Es ist der niedrigstmögliche Energiezustand eines gegebenen Quantensystems. Dieser niedrigstmögliche Energiezustand hat Quantenfluktuationen, die mit der übereinstimmen$\Delta E \Delta t > h$Unschärferelation.

Wenn wir also das Konzept des "Vakuumzustands" direkt auf das Raum-Zeit-Vakuum anwenden, erhalten wir ein konzeptionell anderes Modell, das als "gekrümmtes Raumvakuum" bezeichnet wird. Einige Berechnungen zeigen, dass sich dieses kombinierte "gekrümmte Raumvakuum" ziemlich von dem Vakuum der beiden Teiltheorien unterscheidet: Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik. Es hat einige interessante Eigenschaften, wie die Temperatur, die die Komponententheorien nicht haben, und einige Berechnungen legen nahe, dass die "Quantenvakuumenergie" von der entsprechenden Erwartung abweicht$\Lambda$Wert durch$10^{120}$. Diese Ergebnisse hängen ein wenig davon ab, ob und welche Quantenfelder den Raum gleichmäßig durchdringen, und dieser Aspekt ist noch nicht geklärt.

Mit dem Risiko, jemanden zu wiederholen, sage ich, was ich denke. Sie sollten sich Vakuum nicht als leeren Raum vorstellen. Vakuum ist der teilchenfreie Zustand eines Quantenfeldes und kein Teilchen bedeutet nicht leer. Das Feld ist immer noch da, es ist nur in einem Zustand, den wir als keine Teilchen interpretieren. Und Partikel sind nur eine sehr überzeugte Interpretation.

"Wenn wir zwei fundamentale Teilchen im Raum haben, gibt es dazwischen einen leeren Raum?"

Ich bin mir nicht sicher. Nehmen Sie ein neutrales Atom. Außerhalb ist der Raum leer, auf ein Sondenteilchen wirkt keine Kraft. Aber es liegt an der Neutralisierung von Feldern positiver und negativer Ladungen. Ohne Neutralisierung ist das Feld eine Sache mit großer Reichweite. Vakuum ist also eine solche Kombination externer Kräfte, die einen Nettoeffekt von Null erzeugt.

So seltsam sich dieses Objekt für Sie anfühlen mag, es ist, was es ist: der leere Raum. So leer wie möglich. Das passiert, wenn man sein Zimmer nimmt und alles rausholt.

Zahlen existieren nur in unseren Köpfen. Zahlen, egal welche Zahl, existieren nur in unserem Kopf und müssen sich in der Physik auf eine Eigenschaft der äußeren physikalischen Welt beziehen.
Wir messen die Eigenschaften und verwenden Zahlen als Werkzeug oder Sprache. Wir verwenden Zahlen, um Eigenschaften durch Vergleich mit ausgewählten Referenzen zu messen oder zu klassifizieren, und wir verwenden Maßverhältnisse, um adimensionale Größen zu erhalten.
Eine Immobilie gehört einer Entität . Wenn wir eine Immobilie messen, können wir die Existenz der zugrunde liegenden Entität nicht leugnen.
In diesem Fall können der Äther, das Vakuum, das Feld, der physische Raum, ... nicht leer sein, da er mehrere Eigenschaften hat:$\epsilon_0, \mu_0, c^2=1/(\epsilon_0*\mu_0)$ c ist die Impedanz des Vakuums . Die Lichtgeschwindigkeit ist eine Eigenschaft des Raumes und nicht des Lichtes. Gravitationswellen breiten sich ebenfalls mit c-Geschwindigkeit aus.

Philosophie oder Physik ? Mal schauen:

Wohin geht die Energie, wenn destruktive Interferenz existiert?
Licht kann unter geeigneten Bedingungen Licht auslöschen. Diese Aussage wird durch Theorie und Experimente gestützt ( Anti-Laser-Diskussion und Artikel ) . Was ist die Natur dieser destruktiven Interferenz?

Das Anti-Laser-Experiment zeigt: Das Ergebnis ist 0 Energie nach der destruktiven Interferenz zweier Lichtstrahlen mit jeweils Energieinhalt. Wenn Energie erhalten werden soll, muss das Vakuum diese Energie besitzen, nachdem wir sie aus dem Blickfeld verloren haben.

Photonen sind Vakuumstörungen, die sich ausbreiten. (mein Freund Alf hat mir das vor langer Zeit gesagt)
Dies ist eine mögliche Schlussfolgerung, um die Kohärenz mit dem Experiment aufrechtzuerhalten.

VAKUUM IST ALLES - ist Spinosa(Baruch)-Sicht (in Ethik ) und kürzlich Israel Pérez: A physicist's view of the universe: a philosophical approach