Квантовые флуктуации вакуума

[in-fin-it-e]

Ни один источник так и не дает окончательного ответа на вопрос: квантовые флуктуации вакуума это реальное явление, или же математическая абстракция, исходящая от соотношения неопределенностей? Есть ли доказательство того, что флуктуации действительно существуют? Виртуальные частицы, которые постоянно рождаются и исчезают в каждой точке пространства-времени, они реальны, имеют физический смысл, или нет?

[Munin]

in-fin-it-e в сообщении #892334 писал(а):

Ни один источник так и не дает окончательного ответа на вопрос: квантовые флуктуации вакуума это реальное явление, или же математическая абстракция, исходящая от соотношения неопределенностей?

Квантовые флуктуации вакуума - это реальное явление.
Соотношение неопределённостей - это реальное явление.
И почему вы считаете математические абстракции чем-то нереальным? Всё, что вы знаете про окружающий мир, - это математические абстракции. Тела, массы и силы, вещества, поля, свет - это всё математические абстракции. И в то же время - реальные явления.

in-fin-it-e в сообщении #892334 писал(а):

Есть ли доказательство того, что флуктуации действительно существуют?

Эффект Казимира. Радиационные поправки, например, к атому водорода.

in-fin-it-e в сообщении #892334 писал(а):

Виртуальные частицы, которые постоянно рождаются и исчезают в каждой точке пространства-времени, они реальны, имеют физический смысл, или нет?

В "бытовом" смысле слова - они реальны, имеют физический смысл. Просто в физике сложился такой термин "реальные частицы", который означает не виртуальные. Разница между ними только в том, что реальные частицы долетают до детектора, а виртуальные - не долетают, поглощаются раньше чем-то другим.

Ещё и термин "виртуальные" сложился в те времена, когда ещё не было компьютерной "виртуальной реальности", и слово "виртуальный" имело другой смысл - близкий к смыслу слова "эффективный, действующий". Словарь даже даёт "фактический, не номинальный". Это надо иметь в виду.

[in-fin-it-e]

Munin в сообщении #892336 писал(а):

В "бытовом" смысле слова - они реальны, имеют физический смысл. Просто в физике сложился такой термин "реальные частицы", который означает не виртуальные. Разница между ними только в том, что реальные частицы долетают до детектора, а виртуальные - не долетают, поглощаются раньше чем-то другим.

Ещё и термин "виртуальные" сложился в те времена, когда ещё не было компьютерной "виртуальной реальности", и слово "виртуальный" имело другой смысл - близкий к смыслу слова "эффективный, действующий". Словарь даже даёт "фактический, не номинальный". Это надо иметь в виду.

Можно ли в таком случае сказать, что в каждой точке пространства-времени (в каждой точке пространства и в каждый момент времени) "существует" частица, хоть и "живет" она ничтожно мало времени, на ее месте сразу же появляется другая и т.д.?

[Munin]

Можно, но это бесполезное высказывание. Полезное высказывание - сообщало бы, каковы наблюдаемые физические следствия у этого процесса. Это может рассчитать высшая из сегодняшних физических теорий - КТП, квантовая теория поля. Но сложно.

Могу посоветовать книжки, в зависимости от вашего начального уровня.

[in-fin-it-e]

Munin в сообщении #892348 писал(а):

Можно, но это бесполезное высказывание. Полезное высказывание - сообщало бы, каковы наблюдаемые физические следствия у этого процесса. Это может рассчитать высшая из сегодняшних физических теорий - КТП, квантовая теория поля. Но сложно.

Есть предположение, что ускоряющееся расширение Вселенной приведет к тому, что все элементарные частицы настолько отдалятся друг от друга, что будут недоступны, разделены горизонтом. Если это так, то что будет между этими частицами: пустота?

Munin в сообщении #892348 писал(а):

Могу посоветовать книжки, в зависимости от вашего начального уровня.

Я в основном читаю популярную литературу, поэтому мой начальный уровень, мягко говоря, невысок.

[Munin]

in-fin-it-e в сообщении #893312 писал(а):

Есть предположение, что ускоряющееся расширение Вселенной приведет к тому, что все элементарные частицы настолько отдалятся друг от друга, что будут недоступны, разделены горизонтом.

Но есть, однако же, ещё предположенье,
Что Кука съели из большого уважения...

Мало ли какие на свете предположения есть. Слушать все предположения - это примерно столь же осмысленно, как смотреть Современный-Российский-Телевизор.

in-fin-it-e в сообщении #893312 писал(а):

Если это так, то что будет между этими частицами: пустота?

Пустота.

in-fin-it-e в сообщении #893312 писал(а):

Я в основном читаю популярную литературу, поэтому мой начальный уровень, мягко говоря, невысок.

Главная проблема для вас, боюсь, в том, что вы читаете популярную литературу без разбора. Хорошую и плохую вперемешку (плохой бывает до 90 % и больше). И не складываете из неё систематической картины.

В физике часто об одном и том же говорят разными словами. В учебниках эти слова связываются между собой: даются пояснения, что вот такие-то слова значат одно и то же, в таком-то смысле. А вот такие-то слова значат примерно то же, что такие-то, в смысле такого-то приближения. А в популярной литературе таких пояснений не дают. Получается, что читатель читает много разных слов, которые не связываются между собой, а просто смешиваются в винегрет. Чем дальше, тем более непроходимый.

Советую перейти к чтению учебников. Прежде всего, не надо этого бояться. Учебники имеют дурную славу, как скучные и занудные книги, но часто это не так. Есть очень увлекательные и доходчивые учебники. Их просто надо знать среди общей массы, для этого постепенно собирать советы и рекомендации.

Правда, я не могу дать вам сразу учебников по той теме, которая вас интересует. Учебники основаны один на другом, как кирпичи в стене лежат один на другом. Нельзя сразу прочитать сложный учебник, не прочитав предварительных простых, которые вводят базовые понятия. И учтите, что базовые понятия вам всё равно придётся разбирать по учебникам, даже если вы и слышали похожие слова в популярной литературе.

Считая, что ваши знания не выше школьных, думаю, вам подойдёт примерно такая программа:
1. Фейнмановские лекции по физике (ФЛФ). Они познакомят с тем, что такое законы физики, какую роль в физике играет математика, что такое дифференциальные уравнения. Стоит прочитать хотя бы тома 1-6.
2. Берклиевский курс физики (БКФ). Он не обязателен, если вы читаете ФЛФ, и может читаться параллельно. Это отдельные тома разных авторов. Стоит прочитать хотя бы Киттеля "Механику", Парселла "Электричество и магнетизм", Крауфорда "Волны".
- На этом уровне вы подойдёте к знакомству с квантовой механикой. Вы будете уже знать, что такое дифференциальные уравнения, волны, представлять себе процесс решения дифференциальных уравнений, их смысл, разные волновые явления.
- Дальше стоит приступить к квантовой механике, но не в упрощённом изложении, как в ФЛФ-8-9 и в БКФ-4, а в более серьёзном. Я считаю, что лучший учебник по квантовой механике - это
3. Ландау, Лифшиц. Теоретическая физика 3. Квантовая механика (ЛЛ-3). Но там используется некоторый базис из теоретической механики, можно предварительно посмотреть ЛЛ-1 "Механика", главы хотя бы 1-3, 7.
Другие варианты, по убывающей:
4. Мессиа. Квантовая механика.
5. Матвеев. Атомная физика. (5-й том курса общей физики)
- Когда вы прочитаете, что такое уравнение Шрёдингера, и какой оно имеет физический смысл, познакомитесь с некоторыми квантовыми явлениями на языке волновых функций, можно будет обратиться к центральному объекту квантовой теории поля - квантовому осциллятору. Например, в Мессиа это глава 12, в Матвееве это § 27 (правда, там крайне недостаточно написано).

Квантовые флуктуации вакуума подобны низшему энергетическому состоянию осциллятора, которое не имеет возбуждений, но тем не менее имеет ненулевую энергию $\tfrac{1}{2}\hvar\omega,$ и отвечает ненулевым отклонениям от положения равновесия осциллятора - то есть, от нулевого значения координаты. Точно так же, квантовые флуктуации вакуума - это низшее состояние квантового поля, такого как электромагнитное, и они тоже имеют ненулевую энергию, и отвечают ненулевым отклонениям от нулевого значения поля.

[in-fin-it-e]

Спасибо огромные за книги, я их прочту обязательно.

Munin в сообщении #893315 писал(а):

Пустота.

А что это такое?

[Munin]

Одно из таких слов, которые в физике что-то обозначают, но бывает, что называются и другими словами.

Самое главное уточнение: рассматриваем ли мы ситуацию в классической или в квантовой физике. В классической физике пустота (или вакуум) - это просто отсутствие частиц. В квантовой физике (причём не в квантовой механике, а в следующем этаже - в квантовой теории поля) возникает более сложное понятие вакуума, или физического вакуума, в котором частицы отсутствуют, но присутствуют квантовые флуктуации вакуума. Вы их уже упоминали.

[мат-ламер]

Если бы существовали квантовые флуктуации вакуума, то скорость света зависела бы от его частоты, что пока экспериментами не подтверждается.

-- Пн авг 04, 2014 21:52:09 --

Я имею в виду квантовые флуктуации вакуума на планковских масштабах.

-- Пн авг 04, 2014 21:52:57 --

Эти флуктуации предсказываются петлевой теорией гравитации.
Статья в Вики

[Munin]

мат-ламер
Вы, как всегда, очень поверхностно смотрите. Речь не о любых квантовых флуктуациях, а о флуктуациях гравитационного поля, причём определённого вида.

Вообще существование квантовых флуктуаций давно доказано, и демонстрируется другими экспериментами.

Очень плохо, что вы, будучи ЗУ, выступаете в "Физике" с такими заявлениями. Будьте ответственнее. Или разберитесь в предмете хорошо, или в своих высказываниях уточняйте "как мне кажется, хотя я не разбираюсь".

[limarodessa]

in-fin-it-e в сообщении #893312 писал(а):

Есть предположение, что ускоряющееся расширение Вселенной приведет к тому, что все элементарные частицы настолько отдалятся друг от друга, что будут недоступны, разделены горизонтом. Если это так, то что будет между этими частицами: пустота?

Ув. Munin, это часом не из оперы "эффект Унру" ?

[Munin]

Это из оперы Big Rip scenario, если я правильно понял.

[fraqix]

in-fin-it-e в сообщении #892334 писал(а):

Ни один источник так и не дает окончательного ответа на вопрос: квантовые флуктуации вакуума это реальное явление, или же математическая абстракция, исходящая от соотношения неопределенностей? Есть ли доказательство того, что флуктуации действительно существуют? Виртуальные частицы, которые постоянно рождаются и исчезают в каждой точке пространства-времени, они реальны, имеют физический смысл, или нет?

Почитал тред. В заблуждение вводят ведь, всё не так. Попытаюсь объяснить по-простому. Тезисно:

1) Квантовых флуктуаций на самом деле нет.
2) Виртуальных частиц нет.
3) Постоянно рождаются и умирают -- бред бредовейший.

Теперь о том же подробней. Когда вы описываете всё как есть, более-менее точно, вы пользуетесь, например, квантовой электродинамикой (КЭДом). В КЭДе нет частиц. КЭД -- разновидность квантовой теории поля, КТП. Почему именно поля? Да вот именно поэтому: в последовательной релятивистской квантовой теории частиц нет, есть только поля. Когда-то это не понимали, и усредно пытались сделать "релятивистскую квантовую механику", чего, естественно, не получилось.

У квантовых полей есть "квАнты поля", но они уничтожимые и эфемерные сущности. Проще всего объяснить на примере фотонов: фотонов просто нет. Фотон -- это единица энергии в электромагнитном поле, не более того. С другими полями будет примерно как-то так же. Представьте себе возбуждение кристалла, которое описывают через частицы-фононы, но ведь фононы -- это просто гармоники возбуждения, это никакие не шарики, бегающие по кристаллу. С фотонами дела обстоят примерно так же, просто вместо кристалла выступает ваккуум (в котором, согласно постулату, не может не быть физических полей, т.е. нулевое поле не тождественно его отсутствию).

Беда в том, что через КТП что-либо рассчитать очень-очень сложно, поэтому полноценной КТП мало кто пользуется. Обычно берут какое-то приближение. Полученные решения как-то интерпретируют на уровне языка, причём языка исторически сложившегося и не всегда удачного. Виртуальные частицы, например, -- это просто члены в разложениях, когда от общей КТП переходят к приближениям. Это математическая искуственная сущность, порождённая нашим приближением, а не самой физикой. Реальные частицы как детектируемые сущности -- тоже приближение, но они всё же имеют право корректно называться частицами хотя бы в низкоэнергетическом пределе, в то время как виртуальные -- это вообще матабстракция.

КЭД нормально сформировалась во второй половине XX-го века. До этого люди пытались как-то нащупать физику и придумывали свой язык для описания. Слова о постоянном рождении и умирании частиц идут оттуда же. Сейчас это всё, максимум, -- специализированный сленг, но надо понимать, что за ним стоит. Перейдите на чисто полевое описание -- и все артефакты сразу пропадут.

Если лэмбовский сдвиг описывать чисто полевым способом, никакие слова про частицы произносить не надо. А Казимир тут при чём -- я вообще не знаю. Сила Казимира следует из решения для квантового осциллятора. При желании об этом на первых лекциях по квантовой механике можно рассказать, если кому-то приспичит. И никаких слов про частицы произносить не нужно.

[Munin]

fraqix в сообщении #1084100 писал(а):

В заблуждение вводят ведь, всё не так.

Односторонненько.

Вы в курсе про пространство Фока и вторичное квантование?

fraqix в сообщении #1084100 писал(а):

КЭД нормально сформировалась во второй половине XX-го века.

Формально 1948 - ещё первая половина.

[fraqix]

Munin в сообщении #1084129 писал(а):

Вы в курсе про пространство Фока и вторичное квантование?

А вы как думаете? Это я у вас должен был спросить, раз вы впервые слышите об осцилляторе с переменной частотой. Не понимаю, в чём несогласие. Вы где-то усмотрели "частицы" в квантовой оптике свободного электромагнитного поля? В рамках того, что нужно, как я понимаю, автору топика (рассчёты квантовооптических схем для задач квантовой информатики), никаких частиц тут нет, везде и всё можно заменить полями.

К слову, "вторичное квантование" -- устоявшийся и очень неудачный термин. В ЛЛ-IV про него написано, читал когда-то ради исторического интереса. Ландау ошибся в физике, написал кривую модель, из кривой модели сделал очередные умозаключения. Это был отголосок всё той старой попытки всё описывать классически. У Ландау получалось, что свет -- это летающие фотоны как шарики (после вторичного квантования). С точки зрения современных представлений это, конечно, бред, но сильно уж ему хотелось "физическую" аналогию какую-то к полям приплести.