Vakuumenergie

Vakuumenergie ist eine zu Grunde liegende Hintergrundenergie, die im Raum besteht, selbst wenn der Raum an der Sache (freier Raum) leer ist. Das Konzept der Vakuumenergie ist aus dem Konzept virtueller Partikeln abgeleitet worden, das selbst aus dem energiemaligen Unklarheitsgrundsatz abgeleitet wird. Die Effekten der Vakuumenergie können in verschiedenen Phänomenen wie spontane Emission, die Wirkung von Casimir, die Obligationen von van der Waals und die Verschiebung von Lamb experimentell beobachtet werden und werden gedacht, das Verhalten des Weltalls auf kosmologischen Skalen zu beeinflussen. Mit der oberen Grenze der kosmologischen Konstante, wie man geschätzt hat, ist die Vakuumenergie in einem Kubikmeter des freien Raums 10 Joule gewesen. Jedoch, sowohl in der Quant-Elektrodynamik (QED) als auch in Stochastischen Elektrodynamik (SED), verlangt die Konsistenz mit dem Grundsatz der Kovarianz von Lorentz und mit dem Umfang des Planck Constants, dass es einen viel größeren Wert von 10 Joule pro Kubikmeter hat.

Ursprung

Quant-Feldtheorie stellt fest, dass alle grundsätzlichen Felder, wie das elektromagnetische Feld, an all und jedem Punkt im Raum gequantelt werden müssen. Ein Feld in der Physik kann vorgesehen werden, als ob Raum mit miteinander verbundenen vibrierenden Bällen und Frühlinge gefüllt wurde, und die Kraft des Feldes der Versetzung eines Balls von seiner Rest-Position ähnlich gewesen ist. Die Theorie verlangt "Vibrationen" darin, oder ändert sich genauer in die Kraft, solch ein Feld, um sich laut der passenden Wellengleichung für das besondere fragliche Feld fortzupflanzen. Der zweite quantization der Quant-Feldtheorie verlangt, dass jede solche mit dem Ballfrühlingskombination, d. h. dass die Kraft des Feldes gequantelt wird, an jedem Punkt im Raum gequantelt werden. Kanonisch, wenn das Feld an jedem Punkt im Raum ein einfacher harmonischer Oszillator ist, legt sein quantization ein Quant harmonischer Oszillator an jedem Punkt. Erregung des Feldes entsprechen den elementaren Partikeln der Partikel-Physik. So, gemäß der Theorie, hat sogar das Vakuum eine gewaltig komplizierte Struktur, und alle Berechnungen der Quant-Feldtheorie müssen in Bezug auf dieses Modell des Vakuums gemacht werden.

Die Theorie denkt, dass Vakuum dieselben Eigenschaften wie eine Partikel, wie Drehung oder Polarisation im Fall vom Licht, der Energie und so weiter implizit hat. Gemäß der Theorie heben sich die meisten dieser Eigenschaften auf dem Durchschnitt auf, das Vakuum leer im wörtlichen Sinne des Wortes verlassend. Eine wichtige Ausnahme ist jedoch die Vakuumenergie oder der Vakuumerwartungswert der Energie. Der quantization eines einfachen harmonischen Oszillators verlangt, dass die niedrigstmögliche Energie oder Nullpunktsenergie solch eines Oszillators ist:

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Das Summieren über alle möglichen Oszillatoren an allen Punkten im Raum gibt eine unendliche Menge. Um diese Unendlichkeit zu entfernen, kann man behaupten, dass nur Unterschiede in der Energie viel physisch messbar sind, weil das Konzept der potenziellen Energie in der klassischen Mechanik seit Jahrhunderten behandelt worden ist. Dieses Argument ist die Untermauerung der Theorie der Wiedernormalisierung. In allen praktischen Berechnungen ist das, wie die Unendlichkeit behandelt wird.

Von

Vakuumenergie kann auch in Bezug auf virtuelle Partikeln gedacht werden (auch bekannt als Vakuumschwankungen), die geschaffen und aus dem Vakuum zerstört werden. Diese Partikeln werden immer aus dem Vakuum in Paaren des Partikel-Antiteilchens geschaffen, die in den meisten Fällen kurz einander vernichten und verschwinden. Jedoch können diese Partikeln und Antiteilchen mit anderen vor dem Verschwinden, einem Prozess aufeinander wirken, der mit Diagrammen von Feynman kartografisch dargestellt werden kann. Bemerken Sie, dass diese Methode, Vakuumenergie zu schätzen, dazu mathematisch gleichwertig ist, ein Quant harmonischer Oszillator an jedem Punkt zu haben, und deshalb dieselben Wiedernormalisierungsprobleme erträgt.

Zusätzliche Beiträge zur Vakuumenergie kommen aus der spontanen Symmetrie, die Quant-Feldtheorie einschlägt.

Implikationen

Vakuumenergie hat mehrere Folgen. 1948 haben holländische Physiker Hendrik B. G. Casimir und Dirk Polder die Existenz einer winzigen attraktiven Kraft zwischen nah gelegten Metalltellern wegen der Klangfülle in der Vakuumenergie im Raum zwischen ihnen vorausgesagt. Das ist jetzt als die Wirkung von Casimir bekannt und ist seitdem umfassend experimentell nachgeprüft worden. Es wird deshalb geglaubt, dass die Vakuumenergie in demselben Sinn "echt" ist, dass vertrautere Begriffsgegenstände wie Elektronen, magnetische Felder usw. echt sind. Jedoch ist die Wirkung von Casimir kein bestimmter Beweis für die Vakuumenergie, da es auch ohne diese Theorie erklärt werden kann.

Andere Vorhersagen sind härter nachzuprüfen. Vakuumschwankungen werden immer als Paare der Partikel/Antiteilchens geschaffen. Wie man Hypothese aufgestellt hat, ist die Entwicklung dieser virtuellen Partikeln in der Nähe vom Ereignis-Horizont eines schwarzen Loches vom Physiker Stephen Hawking ein Mechanismus für die schließliche "Eindampfung" von schwarzen Löchern gewesen. Die Nettoenergie des Weltalls bleibt Null, so lange die Partikel-Paare einander innerhalb der Zeit von Planck vernichten. Wenn eines des Paares ins schwarze Loch davor gezogen wird, dann wird die andere Partikel "echt", und Energie/Masse wird im Wesentlichen in den Raum vom schwarzen Loch ausgestrahlt. Dieser Verlust ist kumulativ und konnte auf das Verschwinden des schwarzen Loches mit der Zeit hinauslaufen. Die erforderliche Zeit ist von der Masse des schwarzen Loches abhängig, aber konnte auf der Ordnung von 10 Jahren für große schwarze Sonnenmassenlöcher sein.

Die Vakuumenergie hat auch wichtige Folgen für die physische Kosmologie. Spezielle Relativität sagt voraus, dass Energie zur Masse, und deshalb gleichwertig ist, wenn die Vakuumenergie "wirklich dort" ist, sollte es eine Gravitationskraft ausüben. Im Wesentlichen, wie man erwartet, trägt eine Nichtnullvakuumenergie zur kosmologischen Konstante bei, die die Vergrößerung des Weltalls betrifft. Im speziellen Fall der Vakuumenergie setzt allgemeine Relativität fest, dass das Schwerefeld zu ρ-3p proportional ist (wo ρ die Massenenergie-Dichte ist, und p der Druck ist). Die Quant-Theorie des Vakuums setzt weiter fest, dass der Druck der Nullzustandvakuumenergie immer negativ und ρ gleich ist. So wird die Summe von ρ-3p-2ρ: Ein negativer Wert. Diese Berechnung bezieht ein abstoßendes Schwerefeld ein, Vergrößerung verursachend, wenn tatsächlich der Vakuumboden-Staat Nichtnullenergie hat. Jedoch ist die Vakuumenergie ohne Wiedernormalisierung mathematisch unendlich, die basiert in der Annahme, dass wir nur Energie in einem Verhältnissinn messen können, der nicht wahr ist, wenn wir es indirekt über die kosmologische Konstante beobachten können.

Die Existenz der Vakuumenergie wird auch manchmal als theoretische Rechtfertigung für die Möglichkeit von freien Energiemaschinen verwendet. Es ist behauptet worden, dass wegen der gebrochenen Symmetrie (in QED) freie Energie Bewahrung der Energie nicht verletzt, da die Gesetze der Thermodynamik nur für Gleichgewicht-Systeme gelten. Jedoch besteht die Einigkeit unter Physikern darin, dass das falsch ist, und dass Vakuumenergie nicht angespannt werden kann, um freie Energie zu erzeugen. Insbesondere das zweite Gesetz der Thermodynamik ist durch die Existenz der Vakuumenergie ungekünstelt. Jedoch, in der Stochastischen Elektrodynamik, wird die Energiedichte genommen, um ein klassisches zufälliges Geräuschwelle-Feld zu sein, das aus echten elektromagnetischen Geräuschwellen besteht, die sich isotropisch in allen Richtungen fortpflanzen. Die Energie in solch einem Welle-Feld würde scheinen, z.B mit nichts mehr Kompliziertem zugänglich zu sein, als eine Richtungskopplung. Die offensichtlichste Schwierigkeit scheint, der geisterhafte Vertrieb der Energie zu sein, die die Vereinbarkeit mit Lorentz invariance verlangt, um die Form Kf anzunehmen, wo K eine Konstante ist und f Frequenz anzeigt. Hieraus folgt dass Energie- und Schwung-Fluss in diesem Welle-Feld nur bedeutend an äußerst kurzen Wellenlängen wird, wo Richtungskopplungstechnologie zurzeit fehlt.

Geschichte

1934 hat Georges Lemaître eine ungewöhnliche vollkommen-flüssige Gleichung des Staates verwendet, um die kosmologische Konstante als wegen der Vakuumenergie zu interpretieren. 1948 hat die Wirkung von Casimir die erste experimentelle Überprüfung der Existenz der Vakuumenergie zur Verfügung gestellt. 1957 haben Lee und Yang die Konzepte der gebrochenen Symmetrie und Paritätsübertretung bewiesen, für die sie den Nobelpreis gewonnen haben. 1973 hat Edward Tryon vorgeschlagen, dass das Weltall eine groß angelegte mit dem Quant mechanische Vakuumschwankung sein kann, wo positive Massenenergie durch die negative potenzielle Gravitationsenergie erwogen wird. Während der 1980er Jahre gab es viele Versuche, die Felder zu verbinden, die die Vakuumenergie zu spezifischen Feldern erzeugen, die durch Versuche einer Großartigen Vereinigungstheorie vorausgesagt wurden und Beobachtungen des Weltalls zu verwenden, um ein oder eine andere Version zu bestätigen. Jedoch bleibt die genaue Natur der Partikeln (oder Felder), die Vakuumenergie, mit einer Dichte wie das erzeugen, das durch die Inflationstheorie erforderlich ist, ein Mysterium.

Siehe auch

Außenartikel und Verweisungen

Referenzen


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