електромагнитен вакуум

Според квантовата теория на полетовакуумът не е абсолютна празнота, в която няма абсолютно нищо. Той има някои физични свойства и може да бъде в различни агрегатни състояния. Съвременната физика прави опити да установи свойствата на физическия вакуум въз основа на емпирични данни. И ако през 19-ти век на някакъв хипотетичен етер са приписвани механични свойства, които по принцип не се различават от механичните свойства на обикновената материя, тогава механичните свойства не се приписват на физическия вакуум.

За да бъдем точни, има няколко вида вакуум. Класификацията се извършва в зависимост от това с кои частици и полета се свързва.

Електромагнитно поле

Помислете заелектромагнитно поле. Полето от фотони отдава енергия с помощта на кванти, чиято стойност е $h\nu $. При всеки такъв акт на пренос на енергия броят на фотоните намалява с един. Ако извършим последователност от такива процеси, тогава в крайна сметка ще възникне състояние, при което броят на квантите в системата ще бъде равен на нула. В съответствие с класическите концепции електромагнитното поле в този случай изчезва. Ако се придържаме към концепциите на квантовата механика, тогава ситуацията е различна. Електромагнитното поле не изчезва, а преминава в състояние с минимална енергия. В това състояние няма фотони. Това състояние се нарича електромагнитен (фотонен) вакуум. В състояние на вакуум електромагнитното поле не може да служи като източник на енергия, но това не означава, че изобщо не може да се прояви. Електромагнитният вакуум е причината за някои физически явления, които могат да бъдат открити.

Опитайте да помолите учителите за помощ.

Ако електромагнитното поле, което е в състояние на вакуум,съобщават енергия, която е достатъчна за прехода към възбудено състояние, тогава те говорят за раждането на полеви квант (фотон). Появата на полева частица се описва като преход от „невидимо“ вакуумно състояние към „реално“ състояние.

По същия начин се въвеждат понятия, например, за електрон-позитронния вакуум (като най-ниското състояние (по отношение на енергията) на полето, съответстващо на частиците). Вакуумът на $\pi $-мезоните е изолиран. Ако се изследва взаимодействието на полета, се говори за вакуум като най-ниско енергийно състояние на системата от полета.

В съответствие със съвременната теория взаимодействието между частиците се осъществява чрез обмен на някои други частици, които отговарят на собствения си вакуум. Електромагнитното взаимодействие, което възниква между частици, които имат заряди, се осъществява с помощта на електромагнитен вакуум. В този случай един от електрическите заряди излъчва фотон, който се поглъща от друг заряд, който също излъчва фотон и той се поглъща от първия заряд. В резултат на това има промяна в невъзбуденото състояние на вакуума. Това се проявява чрез силата на взаимодействие между частиците, които обменят фотони.

Задайте въпрос на експерти и получете отговор за 15 минути!

Докато заредените частици не си взаимодействат, всяка от тях е свободна. Свободната частица не излъчва и не поглъща енергийни кванти. Ако това не беше така, тогава законът за запазване на енергията или законът за запазване на импулса щеше да бъде нарушен. Но трябва да се има предвид, че горното се отнася за излъчването на реални частици. Взаимодействието се осъществява чрез виртуални частици, което елиминира горното противоречие. За да бъдем абсолютно точни, трябва да говорим за обмен при взаимодействието на виртуални частици.

виртуални частицисъществуват само в междинни състояния и за много кратко време. Животът на такава частица ($\триъгълник t$) е свързан с несигурността на нейната енергия ($\триъгълник W$) чрез връзката:

И несигурността на позицията и инерцията е изпълнена:

Ако има отношения на неопределеност (1) и (2), тогава законите за запазване вече не могат да бъдат пречка за излъчването на кванти от реални свободни частици в случай, че тези кванти имат енергия $\triangle W$ и съществуват за време $\triangle t$:

Виртуална може да се нарече частица, за която не се реализира класическата връзка между енергия и импулс на формата:

Времевият интервал $\триъгълник t$ се счита за времето, през което се извършва обменът между взаимодействащи частици. Взаимодействието между заредените частици се осъществява със скоростта на светлината, което означава, че имаме:

където $R$ е радиусът на взаимодействие. Квантовата енергия $\triangle W$ е равна на:

където $m_0$ е масата на покой на кванта. За един фотон масата на покой е нула. От израз (6) следва:

Тъй като масата на покой на фотона е нула, можем да заключим, че обхватът на силите на Кулон е безкраен.

Оказва се, че принципът на неопределеността е в основата на факта, че всяка частица, която има заряд, е заобиколена от облак от виртуални фотони, които се излъчват и поглъщат и носят взаимодействия.

Вакуумът може да бъде представен като суперпозиция на трептения на нулево поле, тоест състояния с виртуални появяващи се и изчезващи виртуални фотони. Тези виртуални фотони взаимодействат помежду си и с реални частици. И така, в полето на атомното ядро (електрическо поле) виртуалните електрони и позитрони са разпределени неравномерно. Виртуалните позитрони се изместват главно по полето, докато виртуалнитеелектрони - срещу полето. Така се появява вакуумната поляризация, която е подобна на поляризацията на диелектрик във външно поле. Разликата е, че във вакуума говорим за разместване на виртуални заряди.

Примерни задачи

Квантовите вакуумни флуктуации предизвикват изместване във фината структура на енергийните нива на водородния атом от това, което трябва да се получи в съответствие с теорията на Дирак. Как съществуването на електромагнитен вакуум обяснява изместването на Lamb?

Основните в Lamb shift са 2 вакуумни ефекта:

Излъчване и поглъщане на виртуални фотони от електрон. Това явление води до промяна в ефективната маса на електрона и появата на аномален магнитен момент.
Вакуумна поляризация, т.е. възникване и унищожаване на виртуални двойки електрон-позитрон във вакуум. Това явление изкривява потенциала на Кулон на ядрото на разстояния, приблизително равни на $\sim ^cm$. Това разстояние е много по-малко от радиуса на Боровки във водорода, следователно причина номер 1 има по-голям принос за изместването на енергийните нива.Поляризацията води до едно и също изместване за всички нива.

Според теорията, която не противоречи на експеримента, изместването на нивото на Ламб е пропорционално на четвъртата степен на номера на атома и обратно пропорционално на куба на главното квантово число.

По този начин $s$-електронът прекарва по-голямата част от времето си близо до ядрото в силно, по същество нехомогенно поле на ядрото. В този случай р-електронът е (средно) на големи разстояния от ядрото, където полето е по-слабо и по-равномерно. Взаимодействието с вакуума люлее електрона. Ако използваме терминологията на класическата физика, тогава можем да кажем, че орбитата на електрона не е гладка крива, а криволичеща линия. В резултат на това електронът произволно се отдалечава от ядрото или се приближава до него. потенциаленергията на заредена частица в полето на ядрото може да се оцени като:

Ако разстоянието от ядрото до електрона се увеличи от $r\ до\ r+\триъгълник r$, тогава промяната в потенциалната енергия може да се дефинира като:

Ако разстоянието от ядрото до електрона намалява, тогава промяната в потенциалната енергия:

Може да се види от изрази (1.2) и (1.3), че $\left\triangle U'\right >\left\triangle U\right.$ Вакуумното трептене на електрон променя знака на неговата потенциална енергия $U$. В този случай промяната в потенциалната енергия в близост до ядрото е особено голяма и се променя рязко с увеличаване на разстоянието. Оказва се, че вакуумните добавки към общата енергия $W$ са по-големи за s-електроните, отколкото за $p$-електроните. Това явление става основният принос за разширяването на енергийните нива на $s-$ и $p$-електроните, които практически биха съвпаднали при липса на вакуумни добавки към общата енергия.

Свободно електромагнитно поле в определен обем може да бъде представено като система от безкрайно голям набор от осцилатори на полето (модове на полето). Какво можем да кажем за енергията на електромагнитния вакуум, ако разгледаме такъв модел на полето?

Режимът на полето се определя от набор от стационарни състояния с енергии:

където $k$ е квантът на полето в стационарно състояние ($\left\left.k\right\rangle =Ф_k\left(\varepsilon \right)\right.$). В основно състояние на полето (електромагнитен вакуум) $k=0.$ От израз (2.1) излиза, че в най-ниското състояние всеки осцилатор има енергия, която не е равна на нула. Ако сумираме безкраен брой осцилатори, тогава енергията на вакуума ще бъде безкрайна.

Не сте намерили отговора на вашия въпрос?

Просто напишете за какво имате нужда от помощ