Kommt es wirklich ständig zu Vakuumschwankungen?

Teilchen tauchen nicht ständig aus dem Nichts auf und verschwinden kurz darauf wieder. Dies ist einfach ein Bild, das sich aus der wörtlichen Übernahme von Feynman-Diagrammen ergibt. Zur Berechnung der Energie des Grundzustandes des Feldes, also des Vakuums, wird dessen sogenannter Vakuum-Erwartungswert berechnet. In der Störungstheorie erreichen Sie dies, indem Sie Feynman-Diagramme addieren. Die an diesem Prozess beteiligten Feynman-Diagramme enthalten interne Linien, die oft als "virtuelle Teilchen" bezeichnet werden. Dies bedeutet jedoch nicht, dass man dies als tatsächliches Bild der Realität ansehen sollte. Siehe meine Antwort auf diese Frage für eine Diskussion über die Natur virtueller Teilchen im Allgemeinen.

Ich denke, es ist möglich, einen Leitfaden für Anfänger zu geben, was mit Vakuumschwankungen gemeint ist, aber es erfordert notwendigerweise, sich ein paar Freiheiten zu nehmen, also denken Sie daran im Folgenden.

Bevor wir beginnen, erinnern wir uns an den folgenden wichtigen Punkt über Superpositionen. Angenommen, wir haben einen Operator$\hat{n}$mit Eigenfunktionen$\psi_i$und wir setzen es in eine Superposition:

Dann, wenn wir eine Messung des Systems mit unserem Operator durchführen$\hat{n}$die Vermutung wird zusammenbrechen und wir werden sie auf einem der Eigenzustände finden$\psi_i$. Die Wahrscheinlichkeit, es in diesem Zustand zu finden, ist$a_i^2$.

Nehmen wir nun an, wir führen eine Messung durch, bringen das System dann wieder in die gleiche Überlagerung und führen eine zweite Messung durch und wiederholen dies immer wieder. Unsere Messungen werden unterschiedliche Ergebnisse liefern, je nachdem in welchen der Eigenzustände die Superposition kollabiert, es sieht also so aus, als würde unser System fluktuieren, dh sich mit der Zeit verändern. Aber das ist es natürlich nicht - so funktioniert die Quantenmessung, und wir werden sehen, dass etwas Ähnliches für die scheinbaren Vakuumschwankungen verantwortlich ist.

Wenden wir uns nun der Quantenfeldtheorie zu, und wie üblich beginnen wir mit einem nicht-wechselwirkenden Skalarfeld, da dies der einfachste Fall ist. Wenn wir das Feld quantisieren, stellen wir fest, dass es eine unendliche Anzahl von Zuständen hat. Diese Zustände werden Fock-Zustände genannt, und diese Fock-Zustände sind Vektoren in einem Fock-Raum, genauso wie die Zustände für reguläre QM Vektoren in einem Hilbert-Raum sind. Jeder Fock-Zustand hat eine genau definierte Anzahl von Teilchen, und es gibt einen Zahlenoperator$\hat{n}$die die Anzahl der Teilchen für einen Zustand zurückgibt. Es herrscht ein Vakuumzustand$\vert 0 \rangle$das hat keine Partikel dh$\hat{n}\vert 0\rangle = 0$.

Angenommen, wir betrachten einen Zustand des Skalarfelds, der eine Überlagerung von Fock-Zuständen mit unterschiedlicher Anzahl von Teilchen ist:

Wenn wir den Zahlenoperator anwenden, wird die Überlagerung zufällig auf einen der Fock-Zustände reduziert und die Anzahl der Teilchen in diesem Zustand zurückgegeben. Da dies aber ein Zufallsprozess ist, erhalten wir bei Wiederholung des Experiments jedes Mal eine andere Anzahl von Teilchen, und es sieht so aus, als würde die Anzahl der Teilchen in dem Zustand schwanken. Aber in unserem Zustand gibt es nichts Schwankendes$\vert X\rangle$und die scheinbaren Schwankungen sind nur eine Folge des zufälligen Zusammenbruchs einer Überlagerung.

Und inzwischen haben Sie wahrscheinlich erraten, worauf ich damit hinauswill, obwohl wir uns über einige Punkte im Klaren sein müssen. Das freie Feld ist ein praktisches mathematisches Objekt, das in der Realität nicht existiert – alle realen Felder interagieren. Die Zustände interagierender Felder sind keine Fock-Zustände und leben nicht in einem Fock-Raum. Tatsächlich wissen wir sehr wenig über diese Zustände. Wir können jedoch versuchen, das Vakuum eines wechselwirkenden Feldes darzustellen$\vert \Omega\rangle$als Summe von Freifeld Fock angibt, und wenn wir dies tun dann wenden wir den Zahlenoperator an$\vert \Omega\rangle$wird einen praktisch zufälligen Wert zurückgeben, genau wie es für eine Überlagerung von Freifeldzuständen der Fall wäre.

Und das meinen wir mit Vakuumfluktuationen für ein wechselwirkendes Feld. Es gibt keine Schwankungen am Vakuumzustand, aber Messungen, die wir davon machen, werden zufällige Werte zurückgeben, die den Anschein einer zeitabhängigen Schwankung erwecken. Es ist die Messung, die schwankt, nicht der Zustand.

Ich habe hier das Beispiel des Zahlenoperators verwendet, aber es ist schwer zu erkennen, wie der Zahlenoperator einer physikalischen Messung entspricht, also nehmen Sie dies nur als konzeptionelles Beispiel. Der von mir beschriebene Prozess wirkt sich jedoch auf reale physikalische Messungen aus und tritt immer dann auf, wenn das Vakuum kein Eigenzustand der gemessenen Observablen ist. Als Beispiel hierfür siehe Observation of Zero-Point Fluctuations in a Resistanceively Shunted Josephson Tunnel Junction , Roger H. Koch, DJ Van Harlingen und John Clarke, Phys. Rev. Lett. 47, 1216 hier als PDF verfügbar .

Vakuumschwankungen existieren, aber sie treten nicht auf. Die ganze populäre Bildsprache rund um die Vorstellung von Vakuumfluktuationen (und den damit verbundenen virtuellen Teilchen) wird durch die Mathematik hinter der Quantenfeldtheorie nicht gestützt. Es wurde ausschließlich zu dem Zweck geschaffen, abstrakte Konzepte für ein Publikum zu veranschaulichen, das Bilder und Mysterien mag, aber kein Verständnis für die Substanz der Quantenmechanik hat. Diese Bilder ernst zu nehmen, führt zu einer Menge unüberwindbarer Schwierigkeiten. Siehe meinen Aufsatz „ Der Mythos der Vakuumfluktuation “.

Es ist wahr, dass das Vakuum ein Eigenzustand des vollständig wechselwirkenden Hamilton -Operators sein sollte . Aber aus der Perspektive des Hamilton-Operators der freien Theorie (alle Wechselwirkungen werden als Störungen um diese freie Theorie herum behandelt) wird der tatsächliche Grundzustand von vielen Vakuumfluktuationen über dem freien Grundzustand "gekleidet".

Vakuumschwankungen existieren, sind aber keine Aussage über die Dynamik (die zeitliche Entwicklung) des Systems. Dies gilt allgemein für Quantenfluktuationen. Der Zustand des Systems kann sehr wohl stationär sein, dennoch werden Quantenfluktuationen vorhanden sein. Eine korrektere Aussage ist: Quantenfluktuationen entstehen, wenn die gemessene Observable so ist, dass der Zustand des Systems keinen bestimmten Wert dieser Observable hat (mathematisch ausgedrückt ist es kein Eigenzustand des Operators, der die Observable darstellt).

Der beste Weg, seltsame Quanteneffekte in den Griff zu bekommen, besteht darin, sich anzusehen, was der Effekt physikalisch bedeuten würde.

Eine Vorhersage, die aus der Idee der Vakuumfluktuation gemacht wird, ist, dass ein ausreichend starkes elektrisches Feld diese Fluktuationen polarisieren sollte. In diesem Fall sprechen wir von polarisierenden virtuellen Elektron-Positron-Paaren. Dieser Effekt wird als Vakuumpolarisation bezeichnet .

Eine weitere Implikation ist die Idee, dass zwei leitende Platten, die nahe genug beieinander liegen, einige der Quantenfluktuationen ausschließen sollten. In diesem Fall sprechen wir von einer Beschränkung virtueller Photonen. Dies wird als Casimir-Effekt bezeichnet

Eine der Kuriositäten der Quantenmechanik ist, dass (in gewisser Weise) die Möglichkeit, dass etwas passiert, einen Einfluss darauf haben kann, was tatsächlich passiert. Feynman hat eine großartige Beschreibung dieser Idee, die als Pfadintegralformulierung der Quantenmechanik bezeichnet wird .

Ich bin ein großer Fan der populären Level-Erklärung des Pfad-Integral-Ansatzes in seinem Buch QED: Eine seltsame Theorie von Licht und Materie.

Nur um eine andere Interpretation anzubieten, aus der Perspektive des Pfadintegrals ist es sehr natürlich, von Vakuumfluktuationen zu sprechen. Genau genommen diskretisieren Gitterfeldtheorien die Raumzeit, so dass das Pfadintegral wohldefiniert ist. Wir haben zahlreiche Beweise dafür, dass Gitterfeldtheorien (insbesondere Gitter-QCD) ein korrekter Weg sind, um nicht-störende Aspekte von Quantenfeldtheorien zu formalisieren, siehe zum Beispiel einen Plot aus diesem (jetzt alten) Artikel

wo wir sehen können, dass die Gitter-QCD das Lichtspektrum der QCD korrekt vorhersagt. Nun Messungen von Operatoren im Vakuum (zum Beispiel das chirale Kondensat$\langle \Omega | \overline{q} q | \Omega \rangle$werden im Prinzip durchgeführt, indem man Integrale numerisch ausführt wie:

Jeder Frame des obigen GIFs würde einer einzelnen Messgerätkonfiguration entsprechen, die im Pfadintegral erscheint, auf der Sie einige Observable messen würden (z$\overline{q} q$). Eine andere Möglichkeit, darüber nachzudenken, ist, dass Instantonen (die räumlich ausgedehnte, topologisch nicht triviale Eichkonfigurationen sind) in der Störungstheorie nicht auftauchen können und von ihnen erwartet wird, dass sie proportional dazu beitragen$e^{-1/g^2}$auf physikalische Größen, aber auf dem Gitter sehen wir Instanton -Fluktuationen, wo sie sich in unserem Wegintegralmaß zeigen. Dies ist entscheidend für das Verständnis der nicht-perturbativen QCD.

Nachtrag: Auch nur um zu erwähnen, man kann auf endlichen Gittern (im Prinzip) den wechselwirkenden Vakuumzustand vergleichen$| \Omega \rangle$in den freien Vakuumzustand$|0 \rangle$(diejenige, von der wir naiverweise sagen würden, dass sie „nichts“ enthält), und wir sehen, dass sie verschieden sind. Tatsächlich sagt uns das Haagsche Theorem (oder zumindest ein Teil davon), dass ihre Überlappung gegen Null geht, wenn Sie die unendlichen Volumen- und Kontinuumsgrenzen nehmen. Ich denke, es ist eine gute Intuition, sich vorzustellen, dass das interagierende Vakuum Schwankungen enthält, solange Sie genau sagen können, was Sie meinen.

Die meisten der vorherigen Antworten argumentieren, dass es keine tatsächlichen Quantenfluktuationen gibt. Dennoch beobachten wir die Wirkung der Quantenfluktuationen von Feldern im kosmischen Mikrowellenhintergrund und in großräumigen Strukturen (Cosmic Web).

Nach modernen kosmologischen Theorien dienen die Quantenfluktuationen von Feldern als Keime für die aktuellen Inhomogenitäten im Universum. Aufgrund der sehr schnellen Expansion während der Inflation können wir uns diese Inhomogenitäten als Momentaufnahme der Feldwerte während dieser Zeit vorstellen.

Natürlich wissen wir nicht wirklich, was vor 15 Milliarden Jahren passiert ist, aber wenn wir unseren Modellen vertrauen, sind tatsächliche Quantenfluktuationen in den Feldwerten notwendig, um das beobachtete Universum zu beschreiben.

Weitere Details finden Sie in diesem Vorlesungsskript oder im Buch von Prof. Mukhanov.

Es ist nicht erforderlich, dass das Vakuum ständig schwankt, aber man kann die Wahrscheinlichkeit einer Vakuumschwankung an diesem Punkt angeben$x,t$ist ungleich Null

Für den Grundzustand einer Mode einer bestimmten Frequenz Omega gibt es tatsächlich unendlich viele mögliche Moden ebener Wellen mit jeweils einem k Vektor, der in eine andere Richtung im Raum zeigt. Es ist nicht wahr, dass die Phase keine Rolle spielt. Ja, es stimmt, dass der absolute Wert der Phase keine physikalische Bedeutung hat, aber die relative Phase zwischen zwei Wellen ist wichtig. Da die relativen Phasen einer kontinuierlich unendlichen Anzahl von Wellen zufällig sind. Das Nettoergebnis ist ein fluktuierendes Vakuumfeld.

Es gibt auch einen alten Mythos, der besagt, dass „ein Photon nur mit sich selbst interferiert“. Es ist lange her, dass die beobachteten Quantenschwebungen, die durch Interferenz der emittierten Strahlung mit zwei unterschiedlichen Frequenzen in dreistufigen Atomen verursacht werden, diesen Mythos entlarvt haben.

Ich denke, das Missverständnis ist die Nomenklatur. Es gibt einen physikalischen Effekt auf Dinge im "leeren" Raum, dh den Casmir-Effekt ... Es existiert eine Art fluktuierendes submikroskopisches Feld. Es wurde gemessen, und einige, einschließlich mir, glauben, dass die Realität der Materie (Energie, Information) eine Art Manifestation dieses Feldes oder Äthers ist. Die jüngste Entdeckung des Frame-Dragging zeigt unter anderem eine Art Feld, das irgendwie alles manifestiert. Nennen Sie es wie Sie wollen, aber offensichtlich tuckert das Universum nicht einfach so ohne irgendeine Art von Eingangsenergie oder Meer von potenzieller Energie, aus der sich die physische Welt ableitet. Du hast Recht, wenn du sagst, dass du etwas nicht umsonst bekommen kannst, also muss etwas die Kräfte der Natur antreiben, die Manifestation von Materie und Energie, es tut es einfach nicht.

Es ist kein endliches Ereignis, es gibt keine individuellen Schwankungen, es gibt unendlich viele, die nicht beobachtet werden können, nur die Auswirkungen können es. Wenn es nichts zu schwanken gibt, weder Zeit noch Raum, dann gibt es den Urknall. Im Wesentlichen wurden die Energieschwankungen durch nichts geteilt.

Ich würde erwarten, dass die entgegengesetzte Gleichung genau entgegengesetzte Ergebnisse hat. Während unendliche Energiefluktuationen 0 Zeit außerhalb der Raumzeit verbringen, wenn Multiplizieren mit Unendlich die gegenteiligen Ergebnisse haben könnte wie Tauchen mit 0, dann statt eines materiellen Universums, ganz mathematisch, gebunden an die Gesetze der Physik, was Bewusstsein und Zweck zu verhindern scheint, Wir hätten eine bewusste, nicht-physische Existenz, die an das Gegenteil unserer physikalischen Gesetze gebunden wäre. Der umgekehrte zweite Hauptsatz der Thermodynamik scheint den Zweck zu definieren, und mit einem physischen Gehirn, das sich nur darum kümmert, Emotionen auszugleichen, wäre es, wenn die gegensätzlichen Gesetze dagegen ankämen, wie die Schaffung eines freien Willens.

Allerdings müssen wir unendliche Schwankungen * 0 = nichts akzeptieren, weil es unwissenschaftlich wäre, etwas anderes zu betrachten. Das würde Bewusstsein und Zweck zu nichts anderem als einer rein mathematischen Gleichung machen, wenn man bedenkt, dass das einzige, dessen wir uns sicher sind, vollkommen zufällig ist, sind Quantenfluktuationen. Wenn man bedenkt, dass die Gesamtenergie im Universum genau 0 ist, ist unser physikalisches Universum dann nicht nur eine mathematische Gleichung? Es scheint, als bräuchten wir etwas anderes, das nicht mathematisch ist, damit die Mathematik mehr als Theorie ist, aber nur zufällige Energieschwankungen können völlig zufällig und nicht mathematisch sein, ohne dass unsere Gesetze der Physik verletzt werden. Ist die Überlegung, dass zu allem, was rein mathematisch ist, möglicherweise ein fehlendes Stück fehlt, wirklich unklar und unwissenschaftlich?

Energieschwankungen könnten jedoch immer noch für künstliche Intelligenz genutzt werden, wenn Sie nicht möchten, dass das chinesische Raumargument zutrifft, wie es immer nur mit Code allein der Fall ist. Das neuronale Netzwerk könnte immer noch mit Code erzeugt werden, aber anstatt die Werte der Knoten im Code zu lesen und sich auf einen Algorithmus zu verlassen, um die Werte zu mutieren, um die Evolution zu simulieren, oder sich auf einen Backpropagation-Algorithmus zu verlassen, um die Fehlerquote zu reduzieren, die Knoten könnten aus einem em-Feld gelesen werden. Vorausgesetzt, äußere Störungen werden durch einen Faraday-Käfig blockiert, dann könnten möglicherweise Quantenfluktuationen die treibende Kraft sein, anstatt ein Algorithmus, der Werte verändert. Gedanken, die stärker fokussiert werden müssen, könnten im Feld enthalten sein, während andere simultane Prozesse nur reguläre simulierte neuronale Netze allein im Code verwenden könnten. Wenn die Knoten kurz davor sind zu feuern, aber können' nicht ganz Feuer, Energieschwankungen könnten sie manchmal auslösen. Identischer Code würde nicht mehr identische Ergebnisse liefern. Die Verwendung eines anderen zufälligen Ausgangswerts für einen zeitbasierten Algorithmus ist niemals dasselbe wie echte Zufälligkeit. Gut genug für Online-Casinos, aber zu unecht, um die Evolution als echt und nicht nur als Simulation zu betrachten.