Что такое физический вакуум?

[Андрей]

Интересует вопрос.
Насколько я помню из объяснений дедушки, вакуум - "безвоздушное пространство". Ну это давно было.

Ведь в космосе, вроде как, ваккум. Но там лётают частицы: фотоны, нейтрино, может ещё какие.

Так что, ваккум "невакуумный" получается? Или как?

[BDK]

Вакуум это отсутствие любых частиц которые хоть как-то мы можем зафиксировать. То есть наблюдаемая нами пустота. Но как оказалось такого не существует потому что даже в абсолютной пустоте из ниоткуда возникают частицы. А так же вникуда исчезают. Это называется - кипение вакуума.

[Странник34]

Так что, ваккум "невакуумный" получается? Или как?

Понятие физического вакуума возникло после открытия Дирака. Когда в конце 2-=х годов прошлого века были построены основы квантовой механики в копенгагенской трактовке, возникла проблема написания уравнения Шредингера, основного уравнения КМ, в т.н. релятивистски инвариантной форме. Для частиц с целым спином было получено уравнение Клейна-Гордона, оно не объясняло свойств электрона, спин которого равен 1/2. Проблема была в раскрытии квадратного корня от выражения, в котором содержались операторы.

Это удалось сделать Дираку, в результате уравнение Шредингера для электрона разбилось на 4 уравнения.
Все было хорошо, но уравнение Дирака давало результат, что энергия свободного электрона равна ±m0c^2. Никак не удавалось объяснить, что означает минус у значения энергии.
Дирак предложил теорию, согласно которой электроны с отрицательной энергией не наблюдаются. И все такие состояния заняты. Если же мы электрону дадим энергию > 2m0c^2 то он становится наблюдаемым, он выходит из области отрицательных энергий, на его месте, где он сидел образуется отсутствие электрона ("дырка"), которое мы наблюдаем как частицу позитрон - антиэлектрон.
То есть получается, что все пространство заполнено электронами с отрицательной энергией, но мы их не видим, так как они не взаимодействуют с частицами окружающего мира.
Эти рассуждения можно провести для всех частиц с полуцелым спином. Таким образом, получается, что все пространство заполнено частицами, которые не наблюдаются, и если дать этим частицам энергию ~ 2m0c^2 то в пространстве появляется пара частица-античастица.
Фотоны являются такими частицами, что антифотон=фотону и энергия их активации равна нулю, так как их масса покоя равна нуль.
Рождение пары частица-античастица в пустом пространстве запрещено так как при этом нарушается закон сохранения импульса. Такое рождение возможно лишь вблизи тяжелых ядер атомов, когда рядом с этим ядом пролетает фотон с энергией > E=2m0c^2.

Однако пары частица-античастица могут рождаться произвольно, даже с нарушением закона сохранения энергии, если они через время Δt<h/2m0c^2 аннигилируют. Такие частицы называются виртуальными.

Вот это все и называется физическим вакуумом.

[Андрей]

Таким образом, получается, что все пространство заполнено частицами, которые не наблюдаются

Очень интересно.
У меня родилась аналогия про монитор заполненный пикселями, только мы их не видим, пока они не включатся.

[Странник34]

Ну типа да, а чтобы включить их надо дать энергию.

Только антипикселя нету.

[Странник34]

Вот это все и называется физическим вакуумом.

И вот теперь если в этом вакууме движется частица, то она возбуждает в нем пары виртуальных частиц-античастиц, пары витртуальных фотонов и т.д. Все эти взаимодействия меняют характеристики частицы, частица движется как бы в шубе из виртуальных частиц. И ее свойства которые мы наблюдаем, есть свойства "одетой" в шубу частицы. В теории поля, иногда функцию Грина частицы называют одетой функцией Грина.

[BDK]

Эту "шубу" я называю "аурой" - применительно к вычислениям. Я использую вычисления где вычислительная система состоящая из некоторого количества "физических" вычислительных элементов облечена в "ауру" виртуальных состояний системы - по аналогии с квантовыми вычислениями. Это позволяет писать компактные программы имеющие бОльшую функциональность - вместо большого количества частных случаев я описываю лишь обобщенный объект из которого частные случаи следуют автоматически в виде этой самой ауры. Хотя я отвлекся от темы. Это уже не физика а скорей в раздел про компьютеры и программирование.

[Странник34]

Введение в физику концепции физического вакуума оказалось очень плодотворным. Это позволило решить проблему близкодействия на квантовом уровне.

Дело в том, что когда были открыты гравитационные и э/м взаимодействия, возник вопрос, как происходит взаимодействие? Напрямую (дальнодействие) или локально (близкодействие)?

В результате развития теории и накопления экспериментального материала, физики пришли к выводу, что имеет место близкодействие, т.е. для переноса взаимодействия на расстояние существует переносчик взаимодействия – поле. В рамках такого подхода, взаимодействующие тела создают поле, и каждое тело взаимодействует не с другим телом, которое находится на расстоянии от него, а локально с полем в той точке, в которой оно находится. Было доказано, что поле обладает всеми атрибутами материи, энергией, импульсом и моментом импульса.

В квантовой теории поля, взаимодействие двух частиц осуществляется путем обмена квантами поля, переносчика взаимодействия. В случае э/м взаимодействий заряженная частица испускает виртуальный фотон, другая частица поглощает его. В результате такого обмена суммарная энергия взаимодействующих частиц изменяется. Если она уменьшается то взаимодействие носит характер притяжения, если увеличивается – отталкивания.

Процесс рождения виртуального фотона идет с нарушением закона сохранения энергии. Такое нарушение разрешено, время Δt полета виртуального фотона от одной взаимодействующей частицы до другой и величина изменения энергии ΔE связаны соотношением: ΔEΔt<=h, h – постоянная Планка. Если расстояние между взаимодействующими частицами L, то время полета виртуального фотона Δt=L/c, с – скорость света. Тогда радиус э/м взаимодействия будет равен L=ch/ΔE. Так как энергия фотона может быть сколь угодно малой, то L может быть сколь угодно большим.

В начале прошлого века, было открыто сильное взаимодействие, взаимодействие протонов и нейтронов в ядре, тогда это взаимодействие назвали ядерным. Переносчиком, этого взаимодействия, квантом поля, оказался π-мезон, частица с массой покоя не равной нулю. И тогда в формулу L=ch/ΔE вместо ΔE необходимо ставить mc^2, m – масса покоя π-мезона. И тогда L=h/mc, так как m не равно нулю (эта масса равно примерно 260 масс электрона), то взаимодействие может распространяться лишь на расстояния меньшие чем h/mc, который равен L ~ 10^(-15) м.

[Странник34]

Испарение черных дыр

С понятием физического вакуума, напрямую связано явление испарения «черных дыр», это явление было открыто Хокингом. Я пишу не предсказано, а именно открыто, потому, что это явление пока еще не имеющее экспериментального доказательства, после того как на его возможность указал Хокинг, видится таким очевидным, что о его существовании уже никто не сомневается.

Всем известны «черные дыры» – последний этап развития звезд, масса которых больше в 2.5-3 раза массы Солнца. При такой массе гравитационные силы, которые при сжатии звезды увеличиваются как обратный квадрат ее радиуса, пересиливают все возможные взаимодействия, препятствующие сближению элементарных частиц на сколь угодно малые расстояния. И в результате звезда сжимается и сжимается, при уменьшении его радиуса определенного значения, называемого радиусом Шварцшильда, скорость, необходимая для преодоления гравитационных сил, становится большей скорости света. В результате уже ни что не может покинуть звезду, ставшую «черной дырой». И она как бы закрывается в себе.

Однако, если учесть физический вакуум, то даже «черная дыра» может излучать, такое излучение физики назвали «испарением». Дело в том, что, как говорилось уже физический вакуум может порождать виртуальные частицы. Этот процесс идет с нарушением закона сохранения энергии, на время Δt<h/ΔE, где h – постоянная Планка, а ΔE – энергия порожденных виртуальных частиц. В пустом пространстве все так и происходит, появились виртуальные частицы и через время меньшее, чем Δt исчезли. Но совсем по-другому это происходит на сфере Шварцшильда. Допустим, на сфере Шварцшильда возникла пара виртуальных частиц, пусть электрон и позитрон, позитрон полетел в сторону центра «черной дыры», а электрон вне «черной дыры». Из-за гравитации черной дыры эта пара виртуальных частиц уже не встретится и уже не аннигилируют друг с другом. Частицы становятся реальными. И в итоге получается, что «черная дыра» испустит электрон. В итоге масса «черной дыры» в результате описанных процессов постепенно будет уменьшаться, Черная дыра «испаряется».

Испарение «черных дыр порождает» парадокс, в черной дыре информация исчезает… Но об этом позже…

[Андрей]

Таким образом, получается, что все пространство заполнено частицами, которые не наблюдаются, и если дать этим частицам энергию ~ 2m0c^2 то в пространстве появляется пара частица-античастица.

Вопрос. А почему частица рождается всегда с парой античастицы? Откуда это вытекает, следствием чего является?