Физический вакуум — понятие
Физический вакуум — понятие
Вакуум физический, среда, в какой нет частиц вещества либо поля. В технике В. именуют среду, в какой содержится «очень мало» частиц; чем меньше частиц находится в единице объёма таковой среды, тем паче высок В. Но полный В. — среда, в какой совершенно нет частиц, совсем не есть лишённое всяких параметров «ничто». Отсутствие частиц в физической системе не значит, что она «абсолютно пуста» и в ней ничего не происходит.
Современное понятие В. оформилось в рамках квантовой теории поля. В микромире, который описывается квантовой теорией, имеет место корпускулярно-волновой дуализм: любые частички (молекулы, атомы, простые частички) владеют некими волновыми качествами и хоть каким волнам присущи некие характеристики частиц (корпускул). В квантовой теории поля все частички, в том числе и «корпускулы» световых волн, фотоны, выступают на схожих основаниях — как кванты соответственных им физических полей: фотон — квант электрического поля; электрон и позитрон — кванты электронно-позитронного поля; мезоны — кванты мезонного, либо ядерного, поля и т.д.
С каждым квантом связаны присущие частичкам физические величины: масса, энергия, количество движения (импульс), электронный заряд, спин и др. Состояние системы и её физические свойства стопроцентно определяются числом составляющих её частиц — квантов — и их персональными состояниями. А именно, у хоть какой квантовой системы имеется вакуумное состояние, в каком она совсем не содержит частиц (квантов). В таком состоянии энергия системы воспринимает меньшее из вероятных значений, а её заряд, спин и остальные характеризующие систему квантовые числа равны нулю. Эти факты интуитивно понятны: так как в вакуумном состоянии нет вещественных носителей физических параметров, то, казалось бы, для такового состояния значения всех физических величин должны приравниваться нулю. Но в квантовой теории действует принцип неопределённостей (см. Неопределённостей соотношение), согласно которому только часть относящихся к системе физических величин может иметь сразу четкие значения; другие величины оказываются неопределёнными. (Так, четкое задание импульса частички влечёт за собой полную неопределённость её координаты.) Потому во всякой квантовой системе не могут сразу точно приравниваться нулю все физические величины.
К величинам, которые не могут быть сразу точно заданы, относятся, к примеру, число фотонов и напряжённость электронного (либо магнитного) поля: строгая фиксация числа фотонов приводит к разбросу (флуктуациям) в величине напряжённости электронного поля относительно некого среднего значения (и напротив). Если число фотонов в системе в точности равно нулю (вакуумное состояние электрического поля), то напряжённость электронного поля не имеет определённого значения: поле всё время будет испытывать флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряжённости будет равно нулю. Таким флуктуациям подвержены и все другие физические поля — электронно-позитронное, мезонное и т.д.
В квантовой теории поля флуктуации интерпретируются как рождение и ликвидирование виртуальных частиц (другими словами частиц, которые безпрерывно появляются и сразу уничтожаются), либо виртуальных квантов данного поля. Наличие флуктуаций не сказывается на значениях полного электронного заряда, спина и др. черт системы, которые, как уже говорилось, равны нулю в состоянии В. Но виртуальные частички точно так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные. К примеру, виртуальный фотон способен породить виртуальную пару электрон-позитрон, аналогично рождению реальным фотоном реальной электрон-позитронной пары (см. Аннигиляция и рождение пар). Благодаря флуктуациям В. приобретает особенные характеристики, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах, и, как следует, состояние В. обладает всеми правами «настоящих» физических состояний.
Разглядим систему, состоящую только из 1-го реального электрона. Реальных фотонов в таковой системе нет, но флуктуации фотонного В. (этот термин и значит отсутствие реальных фотонов) приводят к появлению «облака» виртуальных фотонов около этого электрона, а прямо за ними — виртуальных пар электрон-позитрон. Такие пары проявляют себя подобно связанным зарядам в диэлектрике: под действием кулоновского поля реального электрона они поляризуются и экранируют (другими словами отлично уменьшают) заряд электрона. По аналогии с диэлектриком, эффект экранирования заряда виртуальными частичками именуется поляризацией вакуума.
В итоге поляризации В электронное поле заряженной частички на малых расстояниях от неё немного отличается от кулоновского. Из-за этого, к примеру, смещаются энерго уровни ближайших к ядру электронов в атоме (см. Сдвиг уровней). Поляризация В. оказывает влияние и на поведение заряженных частиц в магнитном поле. Характеризующий это поведение магнитный момент частички в конечном итоге отличается от собственного «нормального» значения, определяемого массой и спином частички (см. Магнетон). Поправки как к уровням энергии, так и к магнитному моменту, составляют толики процента, и на теоретическом уровне вычисленные значения с очень высочайшей точностью согласуются с измеренными на опыте.