فراغ QED

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 8 صور
الموسوعة الحرة

فراغ الديناميكا الكهربائية الكمومية ( QED ) هو الفراغ النظري للمجال في الديناميكا الكهربائية الكمومية . وهو أدنى حالة طاقة (أي الحالة الأرضية ) للمجال الكهرومغناطيسي عندما تكون المجالات مُكمّمة . [ 1 ] عندما يُسمح لثابت بلانك، افتراضياً، بالاقتراب من الصفر، يتحول فراغ الديناميكا الكهربائية الكمومية إلى فراغ كلاسيكي ؛ أي فراغ الكهرومغناطيسية الكلاسيكية. [ 2 ] [ 3 ]

فراغ آخر في نظرية المجال هو فراغ QCD الخاص بالنموذج القياسي .

مخطط فاينمان (مخطط الصندوق) لتشتت الفوتون-فوتون، حيث يتشتت فوتون واحد بسبب تقلبات الشحنة الفراغية العابرة للفوتون الآخر.

التقلبات

يخضع فراغ QED لتقلبات حول حالة المجال المتوسط ​​الخامل الصفري: [ 4 ]

فيديو لتجربة توضح تقلبات الفراغ (الحلقة الحمراء) التي تم تضخيمها بواسطة التحويل البارامتري التلقائي للترددات المنخفضة .

يقدم جوزيف سيلك وصفًا للفراغ الكمومي في كتابه " على شواطئ المجهول " (صفحة 62): [ 5 ]

تؤكد نظرية الكم أن الفراغ، حتى الفراغ المثالي الخالي من أي مادة، ليس فارغًا تمامًا. بل يمكن تصوير فراغ الكم على أنه بحر من أزواج الجسيمات التي تظهر وتختفي باستمرار، والتي تتجلى في حركة ظاهرية للجسيمات تختلف تمامًا عن حركتها الحرارية. هذه الجسيمات "افتراضية"، وليست حقيقية. ...في أي لحظة معينة، يكون الفراغ مليئًا بهذه الأزواج الافتراضية، التي تترك بصمتها من خلال التأثير على مستويات طاقة الذرات.

الجسيمات الافتراضية

يمكن محاولة رسم صورة بديهية للجسيمات الافتراضية استنادًا إلى مبدأ عدم اليقين في الطاقة والزمن لهايزنبرغΔهـΔت≥ℏ2،{\displaystyle \Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}},} حيث يمثل ΔE و Δt عدم اليقين في الطاقة والزمن على التوالي، مع كون ħ ثابت بلانك مقسومًا على 2π . انطلاقًا من هذه النقطة، يمكن القول إن العمر القصير للجسيمات الافتراضية يسمح "باستعارة" طاقات كبيرة من الفراغ، مما يتيح توليد الجسيمات خلال فترات زمنية قصيرة. [ 6 ]

مع ذلك ، لا يحظى هذا التفسير لعلاقة عدم اليقين بين الطاقة والزمن بقبول عالمي. [ 7 ] [ 8 ] تتمثل إحدى المشكلات في استخدام علاقة عدم يقين تحد من دقة القياس كما لو أن عدم اليقين الزمني Δt يحدد "ميزانية" لاقتراض الطاقة ΔE . وتتمثل مشكلة أخرى في معنى "الزمن" في هذه العلاقة، لأن الطاقة والزمن (على عكس الموضع q والزخم p ، على سبيل المثال) لا يخضعان لعلاقة تبادلية أساسية (مثل [ q , p ] = iħ ). [ 9 ] وقد طُرحت مخططات متنوعة لبناء كمية قابلة للرصد لها نوع من التفسير الزمني، وفي الوقت نفسه تخضع لعلاقة تبادلية أساسية مع الطاقة. [ 10 ] [ 11 ] وتُعدّ المناهج المتعددة لمبدأ عدم اليقين بين الطاقة والزمن موضوعًا مستمرًا للدراسة. [ 11 ]

تكميم الحقول

لا يسمح مبدأ هايزنبرغ للشك بوجود جسيم في حالة يكون فيها في موقع ثابت وفي نفس الوقت يمتلك زخمًا صفريًا. بدلًا من ذلك، يمتلك الجسيم نطاقًا من الزخم، ويعزى توزيعه إلى التقلبات الكمومية؛ وإذا كان محصورًا، فإنه يمتلك طاقة نقطة الصفر . [ 12 ]

ينطبق مبدأ عدم اليقين على جميع المؤثرات الميكانيكية الكمومية التي لا تتبادل . [ 13 ] وعلى وجه الخصوص، ينطبق هذا المبدأ أيضًا على المجال الكهرومغناطيسي؛ ولفهم ذلك، من الضروري توضيح دور المبدلات في هذا المجال. [ 14 ]

يبدأ النهج القياسي لتكميم المجال الكهرومغناطيسي بإدخال جهد متجه A وجهد قياسي V لتمثيل المجال الكهربائي E والمجال المغناطيسي B باستخدام العلاقات [ 14 ] .ب=∇×أ؛هـ=-∂∂تأ-∇V.{\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {B} &=\mathbf {\nabla \times A} ;\\\mathbf {E} &=-{\frac {\partial }{\partial t}}\mathbf {A} -\mathbf {\nabla } V.\end{aligned}}} لا يُحدد الكمون الشعاعي بشكل كامل بهذه العلاقات، مما يترك ما يُسمى بحرية القياس مفتوحة . يؤدي حل هذا الغموض باستخدام مقياس كولوم إلى وصف الحقول الكهرومغناطيسية في غياب الشحنات بدلالة الكمون الشعاعي وحقل الزخم Π ، كما هو مُعطى بواسطةΠ=ε0∂∂تأ،{\displaystyle \mathbf {\Pi} =\varepsilon _{0}{\frac {\partial }{\partial t}}\mathbf {A} ,}حيث ε₀ هو ثابت العزل الكهربائي بوحدات النظام الدولي للوحدات . ويتحقق التكميم من خلال اشتراط عدم تبادل حقل الزخم والجهد الشعاعي. أي أن المبدل الزمني المتساوي هو [ 15 ][Πأنا(ر،ت)، أج(ر′،ت)]=-أناℏدلتاأناجدلتا(ر-ر′)،{\displaystyle {\bigl [}\Pi _{i}(\mathbf {r} ,t),\ A_{j}(\mathbf {r} ',t){\bigr ]}=-i\hbar \delta _{ij}\delta (\mathbf {r} -\mathbf {r} '),} حيث r و r ′ هما موقعان مكانيان، وħ هو ثابت بلانك المختزل ، و δij هي دالة دلتا كرونكر ، و δ ( r - r ′) هي دالة دلتا ديراك . يرمز الرمز [,] إلى المبدل .

يمكن تحقيق التكميم دون إدخال الجهد المتجه من حيث الحقول الأساسية نفسها: [ 16 ][هـ^ك(ر)،ب^ك′(ر′)]=-εكك′مأناℏε0∂∂xمدلتا(ر-ر′)،{\displaystyle \left[{\hat {E}}_{k}({\boldsymbol {r}}),{\hat {B}}_{k'}({\boldsymbol {r}}')\right]=-\varepsilon _{kk'm}{\frac {i\hbar }{\varepsilon _{0}}}{\frac {\partial }{\partial x_{m}}}\delta ({\boldsymbol {rr'}}),} حيث يشير الرمز المتقاطع إلى عامل مجال شرودنغر المستقل عن الزمن، و ε ijk هو موتر ليفي-سيفيتا المضاد للتناظر .

بسبب عدم تبادل متغيرات المجال، لا يمكن أن تكون تباينات المجالات صفرًا، على الرغم من أن متوسطاتها تساوي صفرًا. [ 17 ] لذا، يمتلك المجال الكهرومغناطيسي طاقة نقطة الصفر، وبالتالي أدنى حالة كمومية. إن تفاعل ذرة مثارة مع هذه الحالة الكمومية الدنيا للمجال الكهرومغناطيسي هو ما يؤدي إلى الانبعاث التلقائي : انتقال الذرة المثارة إلى حالة طاقة أقل عن طريق انبعاث فوتون حتى في غياب أي اضطراب خارجي للذرة. [ 18 ]

الخصائص الكهرومغناطيسية

يشير استقطاب الضوء المرصود في مجال مغناطيسي قوي للغاية إلى أن الفضاء الفارغ المحيط بالنجم النيوتروني RX J1856.5−3754 يخضع لانكسار الفراغ . [ 19 ]

نتيجةً للتكميم، يُمكن اعتبار الفراغ الكهروضوئي الكمومي وسطًا ماديًا. [ 20 ] وهو قادر على الاستقطاب الفراغي . [ 21 ] [ 22 ] وعلى وجه الخصوص، يتأثر قانون القوة بين الجسيمات المشحونة . [ 23 ] [ 24 ] يُمكن حساب السماحية الكهربائية للفراغ الكهروضوئي الكمومي، وهي تختلف اختلافًا طفيفًا عن السماحية الكهربائية البسيطة ε₀ للفراغ الكلاسيكي . (وبالمثل، يُمكن أيضًا حساب نفاذيته المغناطيسية، وهي تختلف اختلافًا طفيفًا عن μ₀ ). هذا الوسط عازل ذو ثابت عزل نسبي أكبر من 1، وهو مغناطيسي معاكس، ذو نفاذية مغناطيسية نسبية أقل من 1. [ 25 ] [ 26 ] في الظروف القصوى التي يتجاوز فيها المجال حد شوينجر (مثلًا، في المناطق الخارجية للنجوم النابضة [ 27 ] )، يُعتقد أن الفراغ الكهروضوئي الكمومي يُظهر عدم خطية في المجالات. [ 28 ] تشير الحسابات أيضًا إلى وجود انكسار مزدوج وثنائية اللون في وجود مجالات قوية. [ 29 ] يصعب رصد العديد من التأثيرات الكهرومغناطيسية للفراغ، ولم تُصمَّم التجارب التي تُمكِّن من رصد التأثيرات غير الخطية إلا مؤخرًا. [ 30 ] ولتحقيق هذه الغاية، يعمل مشروع PVLAS وفرق أخرى على تطوير الحساسية اللازمة لرصد اللاخطية الكهروضوئية الكمومية.

إمكانية التحقيق

إن الفراغ التام لا يمكن بلوغه إلا من حيث المبدأ. [ 31 ] [ 32 ] إنه تصور مثالي، يشبه الصفر المطلق لدرجة الحرارة، يمكن الاقتراب منه، لكن لا يمكن تحقيقه فعليًا. وقد لخص لوتشيانو بوي هذه الفكرة في كتابه "خلق العالم المادي من العدم؟" (صفحة 55): [ 31 ]

أحد أسباب عدم كون الفراغ خاليًا تمامًا هو أن جدران حجرة التفريغ تُصدر ضوءًا على شكل إشعاع الجسم الأسود... إذا كان هذا المزيج من الفوتونات في حالة توازن ديناميكي حراري مع الجدران، فيمكن القول إن له درجة حرارة وضغطًا محددين. سبب آخر لاستحالة الفراغ التام هو مبدأ هايزنبرغ للشك، الذي ينص على أنه لا يمكن لأي جسيم أن يكون له موقع دقيق... كل ذرة موجودة كدالة احتمالية للفضاء، ولها قيمة غير صفرية في كل مكان ضمن حجم معين. ... على نحو أكثر جوهريًا، تتنبأ ميكانيكا الكم بتصحيح للطاقة يُسمى طاقة النقطة الصفرية، ويتكون من طاقات جسيمات افتراضية ذات وجود قصير. يُسمى هذا بتقلب الفراغ .

تجعل الجسيمات الافتراضية الفراغ المثالي غير قابل للتحقيق، لكنها تُبقي مسألة إمكانية تحقيق فراغ الديناميكا الكهربائية الكمومية (QED) مفتوحة. وقد تم التحقق تجريبياً من تنبؤات فراغ الديناميكا الكهربائية الكمومية، مثل الانبعاث التلقائي ، وتأثير كازيمير ، وانزياح لامب ، مما يشير إلى أن فراغ الديناميكا الكهربائية الكمومية نموذج جيد لفراغ قابل للتحقيق شبه مثالي. ومع ذلك، توجد نماذج نظرية منافسة للفراغ. على سبيل المثال، يتضمن فراغ الديناميكا اللونية الكمومية العديد من الجسيمات الافتراضية التي لا تُعالج في الديناميكا الكهربائية الكمومية. ويعالج فراغ الجاذبية الكمومية التأثيرات الجاذبية غير المشمولة في النموذج القياسي. [ 33 ] ويبقى السؤال مطروحاً عما إذا كانت التحسينات الإضافية في التقنية التجريبية ستدعم في نهاية المطاف نموذجاً آخر لفراغ قابل للتحقيق.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ كاو، تيان يو، محرر (2004). الأسس المفاهيمية لنظرية الحقل الكمومي . مطبعة جامعة كامبريدج. ص 179. ISBN  978-0-521-60272-3لكل حقل خلفية كلاسيكي ثابت ، توجد حالة أساسية للحقل الكمومي المرتبط به. وهذا هو الفراغ الخاص بتلك الخلفية .
  2. ↑ ماكاي، توم ج.؛ لاختاكيا، أخليش (2010). التباين الكهرومغناطيسي والتباين الثنائي: دليل ميداني . وورلد ساينتيفيك. ص 201. ISBN  978-981-4289-61-0.
  3. ↑ الفراغ الكلاسيكي ليس وسطًا ماديًا، بل حالة مرجعية تُستخدم لتعريف وحدات النظام الدولي للوحدات . سماحيته هي الثابت الكهربائي ، ونفاذيته هي الثابت المغناطيسي ، وكلاهما معروف بدقة بحكم التعريف، وليسا من الخصائص المقاسة. انظر ماكاي ولاختاكيا، ص 20، الحاشية 6.
  4. ↑Shankar, Ramamurti (1994). Principles of Quantum Mechanics (2nd ed.). Springer. p. 507. ISBN 978-0-306-44790-7.
  5. ↑Silk, Joseph (2005). On the Shores of the Unknown: A Short History of the Universe. Cambridge University Press. p. 62. ISBN 978-0-521-83627-2.
  6. ↑ For an example, see Davies, P. C. W. (1982). The Accidental Universe. Cambridge University Press. p. 106. ISBN 978-0-521-28692-3.
  7. ↑ A vaguer description is provided by Allday, Jonathan (2002). Quarks, Leptons and the Big Bang (2nd ed.). CRC Press. p. 224. ISBN 978-0-7503-0806-9. The interaction will last for a certain duration Δt. This implies that the amplitude for the total energy involved in the interaction is spread over a range of energies ΔE.
  8. ↑ This "borrowing" idea has led to proposals for using the zero-point energy of vacuum as an infinite reservoir and a variety of "camps" about this interpretation. See, for example, King, Moray B. (2001). Quest for Zero Point Energy: Engineering Principles for 'Free Energy' Inventions. Adventures Unlimited Press. p. 124ff. ISBN 978-0-932813-94-7.
  9. ↑ Quantities satisfying a canonical commutation rule are said to be noncompatible observables, by which is meant that they can both be measured simultaneously only with limited precision. See Itô, Kiyosi, ed. (1993). "§ 351 (XX.23) C: Canonical commutation relations". Encyclopedic Dictionary of Mathematics (2nd ed.). MIT Press. p. 1303. ISBN 978-0-262-59020-4.
  10. ↑Busch, Paul; Grabowski, Marian; Lahti, Pekka J. (1995). "§III.4: Energy and time". Operational Quantum Physics. Springer. p. 77. ISBN 978-3-540-59358-4.
  11. 12 For a review, see Paul Busch (2008). "Chapter 3: The Time–Energy Uncertainty Relation". In Muga, J. G.; Sala Mayato, R.; Egusquiza, Í. L. (eds.). Time in Quantum Mechanics (2nd ed.). Springer. p. 73ff. arXiv:quant-ph/0105049. Bibcode:2002tqm..conf...69B. doi:10.1007/978-3-540-73473-4_3. ISBN 978-3-540-73472-7. S2CID 14119708.
  12. ↑Schwabl, Franz (2007). "§ 3.1.3: The zero-point energy". Quantum Mechanics (4th ed.). Springer. p. 54. ISBN 978-3-540-71932-8.
  13. ↑Lambropoulos, Peter; Petrosyan, David (2007). Fundamentals of Quantum Optics and Quantum Information. Springer. p. 30. Bibcode:2007fqoq.book.....L. ISBN 978-3-540-34571-8.
  14. 12Vogel, Werner; Welsch, Dirk-Gunnar (2006). "Chapter 2: Elements of quantum electrodynamics". Quantum Optics (3rd ed.). Wiley-VCH. p. 18. ISBN 978-3-527-40507-7.
  15. ↑ This commutation relation is oversimplified, and a correct version replaces the δ product on the right by the transverse δ-tensor:
    δ⊥ ij(x)=18π3∫d3k(δij−u^iu^j)eik⋅x ,// ,}
    where û is the unit vector of k, û = ⁠k/k⁠. For a discussion see, Compagno, G.; Passante, R.; Persico, F. (2005). "§2.1 Canonical quantization in the Coulomb gauge". Atom-Field Interactions and Dressed Atoms. Cambridge Studies in Modern Optics, vol. 17. Cambridge University Press. p. 31. ISBN 978-0-521-01972-9.
  16. ↑Vogel, Werner; Welsch, Dirk-Gunnar (2006). "§2.2.1 Canonical quantization: Eq. (2.50)". Quantum Optics (3rd ed.). Wiley-VCH. p. 21. ISBN 978-3-527-40507-7.
  17. ↑Grynberg, Gilbert; Aspect, Alain; Fabre, Claude (2010). "§5.2.2 Vacuum fluctuations and their physical consequences". Introduction to Quantum Optics: From the Semi-Classical Approach to Quantized Light. Cambridge University Press. p. 351. ISBN 978-0-521-55112-0.
  18. ↑Parker, Ian (2003). Biophotonics, Volume 360, Part 1. Academic Press. p. 516. ISBN 978-0-12-182263-7.
  19. ↑"First Signs of Weird Quantum Property of Empty Space? – VLT observations of neutron star may confirm 80-year-old prediction about the vacuum". www.eso.org. Retrieved 5 December 2016.
  20. ↑Bregant, M.; et al. (2003). "Particle laser production at PVLAS: Recent developments". In Curwen Spooner, Neil John; Kudryavtsev, Vitaly (eds.). Proceedings of the Fourth International Workshop on the Identification of Dark Matter: York, UK, 2-6 September 2002. World Scientific. ISBN 9789812791313.
  21. ↑ غوتفريد، كورت؛ فايسكوف، فيكتور فريدريك (1986). مفاهيم فيزياء الجسيمات، المجلد 2. مطبعة جامعة أكسفورد. ص 259. ISBN  978-0195033939.
  22. ↑ زايدلر، إيبرهارد (2011). "§19.1.9 استقطاب الفراغ في الديناميكا الكهربائية الكمومية" . نظرية الحقل الكمومي، المجلد الثالث: نظرية القياس: جسر بين علماء الرياضيات والفيزيائيين . سبرينغر. ص 952. ISBN  978-3-642-22420-1.
  23. ↑ بيسكين ، مايكل إدوارد؛ شرودر، دانيال ف. (1995). "§7.5 إعادة تطبيع الشحنة الكهربائية" . مقدمة في نظرية الحقل الكمومي . دار ويستفيو للنشر. ص 244. ISBN  978-0-201-50397-5.
  24. ↑ شويبر، سيلفان س. (2003). "الجسيمات الأولية" . في هيلبرون، جيه إل (محرر). موسوعة أكسفورد لتاريخ العلوم الحديثة . مطبعة جامعة أكسفورد. ص 246-247 . ISBN  978-0-19-511229-0وبالتالي في الديناميكا الكهربائية الكمية، فإن وجود شحنة كهربائية e o يستقطب "الفراغ" والشحنة التي يتم رصدها على مسافة كبيرة تختلف عن e o ويتم إعطاؤها بواسطة e = ⁠ e o / ε ⁠ حيث ε هو ثابت العزل الكهربائي للفراغ.
  25. ↑ دونوهيو، جون ف .؛ غولويتش، يوجين؛ هولشتاين، باري ر. (1994). ديناميكيات النموذج القياسي . مطبعة جامعة كامبريدج. ص 47. ISBN  978-0-521-47652-2.
  26. ↑ فراغ QCD بارامغناطيسي ، بينما فراغ QED ديامغناطيسي . انظر: Bertulani, Carlos A. (2007). Nuclear Physics in a Nutshell . Princeton University Press. ص 26. Bibcode : 2007npn..book.....B . ISBN  978-0-691-12505-3.
  27. ↑ ميسزاروس، بيتر (1992). "§2.6 الديناميكا الكهربائية الكمومية في المجالات القوية" . الإشعاع عالي الطاقة من النجوم النيوترونية الممغنطة . مطبعة جامعة شيكاغو. ص 56. ISBN  978-0-226-52094-0.
  28. ↑ هارتمان، فريدريك ف. (2002). الديناميكا الكهربائية للمجالات العالية . مطبعة سي آر سي. ص 428. ISBN  978-0-8493-2378-2.
  29. ↑ هيل، جيريمي س.؛ هيرنكويست، لارس (1997). "الانكسار المزدوج وثنائية اللون في فراغ الكهروديناميكا الكمية". مجلة الفيزياء A30 ( 18): 6485-6492 . arXiv : hep-ph/9705367 . Bibcode : 1997JPhA...30.6485H . doi : 10.1088/0305-4470/30/18/022 . S2CID 32306183 . 
  30. ↑ ميندونسا، خوسيه تيتو؛ إليعازر، شالوم (2008). "الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات باستخدام الليزر فائق الشدة". في إليعازر، شالوم؛ ميما، كونيوكي (محرران). تطبيقات تفاعلات الليزر مع البلازما . مطبعة سي آر سي. ص 145. ISBN  978-0-8493-7604-7.
  31. 1 2 لوتشيانو بوي (2009). "خلق العالم المادي من العدم؟ حول الفراغ الكمومي وتقلباته". في: كارافولي، إرنستو؛ دانيلي، جيان أنطونيو؛ لونغو، جوزيبي أو. (محررون). الثقافتان: مشاكل مشتركة . سبرينغر. ص 55. ISBN  978-88-470-0868-7.
  32. ↑ ديراك، بام (2001). جونغ بينغ هسو؛ يوان تشونغ تشانغ (محرران). ثبات لورنتز وبوانكاريه: 100 عام من النسبية . وورلد ساينتيفيك. ص 440. ISBN  978-981-02-4721-8.
  33. ↑ على سبيل المثال، انظر: غامبيني، رودولفو؛ بولين، خورخي (2010). "الفصل 1: لماذا تكميم الجاذبية؟" . دورة تمهيدية في جاذبية الكم الحلقية . مطبعة جامعة أكسفورد. ص 1. ISBN  978-0-19-959075-9.وروفيلي ، كارلو (2004). "الفقرة 5.4.2 ضجة كبيرة حول لا شيء: الفراغ" . الجاذبية الكمومية . مطبعة جامعة كامبريدج. ص 202 وما بعدها. ISBN  978-0-521-83733-0نستخدم ثلاثة مفاهيم متميزة للفراغ في الجاذبية الكمومية

تتضمن هذه المقالة مواد من مقالة Citizendium بعنوان " الفراغ (الديناميكا الكهربائية الكمية) "، والتي تم ترخيصها بموجب رخصة Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported ولكنها ليست مرخصة بموجب رخصة GFDL .