Quantum vacuum state

In quantum field theory, the quantum vacuum state (also called the quantum vacuum or vacuum state) is the quantum state with the lowest possible energy. Generally, it contains no physical particles. However, the quantum vacuum is not a simple empty space,^[1][2] but instead contains fleeting electromagnetic waves and particles that pop into and out of the quantum field.^[3][4][5]

The QED vacuum of quantum electrodynamics (or QED) was the first vacuum of quantum field theory to be developed. QED originated in the 1930s, and in the late 1940s and early 1950s, it was reformulated by Feynman, Tomonaga, and Schwinger, who jointly received the Nobel prize for this work in 1965.^[6] Today, the electromagnetic interactions and the weak interactions are unified (at very high energies only) in the theory of the electroweak interaction.

The Standard Model is a generalization of the QED work to include all the known elementary particles and their interactions (except gravity). Quantum chromodynamics (or QCD) is the portion of the Standard Model that deals with strong interactions, and the QCD vacuum is the vacuum of quantum chromodynamics. It is the object of study in the Large Hadron Collider and the Relativistic Heavy Ion Collider, and is related to the so-called vacuum structure of strong interactions.^[7]

量子場理論が摂動論によって正確に記述できる場合、真空の性質は量子力学的調和振動子の基底状態の性質、より正確には測定問題の基底状態の性質に類似する。この場合、任意の場演算子の真空期待値はゼロになる。摂動論が低エネルギーで破綻する量子場理論（例えば、量子色力学やBCS超伝導理論）では、場演算子は自発的対称性の破れによってゼロでない真空期待値を得る可能性がある。標準模型では、電弱対称性が破れるとヒッグス場はゼロでない期待値を獲得し、これが他の粒子の質量の一部を説明する。

真空状態は零点エネルギーと関連付けられており、この零点エネルギー（可能な限り低いエネルギー状態に相当）は測定可能な効果を持ちます。これは実験室でカシミール効果として検出されることがあります。物理宇宙論では、宇宙真空のエネルギーは宇宙定数として現れます。1立方センチメートルの空虚空間のエネルギーは、比喩的に1兆分の1エルグ（または0.6 eV）と計算されています。^{[ 8 ]}万物の理論となる可能性のあるものに課せられる重要な要件は、量子真空状態のエネルギーが物理的に観測される宇宙定数を説明しなければならないということです。

相対論的場の理論では、真空はポアンカレ不変であり、これはワイトマンの公理から導かれる が、これらの公理を用いなくても直接証明できる。^{[ 9 ]}ポアンカレ不変性は、場の演算子のスカラー結合のみがゼロでない真空期待値を持つことを意味する。真空は、場の理論のラグランジアンの内部対称性の一部を破る可能性がある。この場合、真空は理論が許容するよりも対称性が低く、自発的対称性の破れが起こったと言われる。

マクスウェル方程式に対する量子補正により、真空中に微小な非線形電気分極項が生じ、その結果、電界依存の電気誘電率 ε が真空誘電率の公称値 ε ₀からずれると予想されます。^{[ 10 ]}これらの理論的展開は、例えば Dittrich と Gies によって説明されています。^{[ 5 ]}量子電磁力学の理論では、QED 真空はわずかな非線形性を示すはずであり、非常に強い電界が存在する場合、誘電率は ε ₀に対してわずかに増加します。進行中の実験的努力^{[ 11 ]}により、強い電界が自由空間の実効透磁率を変化させ、電界の方向ではμ _{0よりわずかに小さく、垂直方向では}μ ₀よりわずかに大きい値を持つ異方性になる可能性が考えられます。電界にさらされた量子真空は、電界以外の方向に伝搬する電磁波に対して複屈折を示します。この効果はカー効果に似ているが、物質は存在しない。^{[ 12 ]}この微小な非線形性は仮想対生成の観点から解釈できる。^{[ 13 ]}非線形性が大きくなる特性電場強度は、約 と非常に大きいと予測されている。$1.32×10¹⁸$V/m はシュウィンガー限界として知られており、等価なカー定数は水のカー定数の約 10 ^{20分の 1 と推定されている。量子電磁力学以外の素粒子物理学からの}二色性の説明も提案されている。^{[ 14 ]}このような効果を実験的に測定することは困難であり、^{[ 15 ]}まだ成功していない。

仮想粒子の存在は、量子化された電磁場の非交換性に基づいて厳密に説明できます。非交換性とは、量子真空では場の平均値はゼロになりますが、その分散はゼロにならないことを意味します。^{[ 16 ]} 「真空ゆらぎ」という用語は、最小エネルギー状態における場の強度の分散を指し、^{[ 17 ]}「仮想粒子」の証拠として絵のように説明されます。^{[ 18 ]}ハイゼンベルクのエネルギー時間不確定性原理に基づいて、仮想粒子または分散の直感的なイメージを提供しようとする試みもあります。 $${\displaystyle \Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}\,,}$$ （Δ Eと Δ tはそれぞれエネルギーと時間の変動であり、Δ Eはエネルギー測定の精度、Δ tは測定に要した時間、ħは換算プランク定数である）仮想粒子の寿命が短いため、真空から大きなエネルギーを「借りる」ことができ、短時間の粒子生成が可能になるという主張に沿って議論されている。^{[ 19 ]}仮想粒子の現象は受け入れられているが、このエネルギーと時間の不確定性関係の解釈は普遍的ではない。^{[ 20 ] [ 21 ]} 1 つの問題は、時間不確定性 Δ tがエネルギー Δ Eを借りる「予算」を決定するかのように、測定精度を制限する不確定性関係の使用である。もう 1 つの問題は、この関係における「時間」の意味である。なぜなら、エネルギーと時間（たとえば位置qと運動量pとは異なり）は、正準交換関係（たとえば[ q , p ] = i ħなど）を満たさないからである。^{[ 22 ]}何らかの時間解釈を持ちながら、エネルギーとの正準交換関係を満たす観測量を構築するためのさまざまなスキームが提案されてきた。^{[ 23 ] [ 24 ]}エネルギー-時間不確定性原理への多くのアプローチは、長く継続的なテーマである。^{[ 24 ]}

アストリッド・ランブレヒト（2002）によれば、「空間からすべての物質を取り除き、温度を絶対零度まで下げると、思考実験によって量子真空状態が生成される。」^{[ 1 ]}ファウラーとグッゲンハイム（1939/1965）によれば、熱力学の第三法則は正確には次のように述べることができる。

どんなに理想化された手順であっても、有限回の操作でいかなるアセンブリも絶対零度まで還元することは不可能である。^{[ 25 ]}（参照：^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}）

光子-光子相互作用は、ディラック電子-陽電子真空場などの他の場の真空状態との相互作用によってのみ起こり得ます。これは真空偏極の概念と関連しています。^{[ 29 ]}ミロニ（1994）によれば、「…すべての量子場は零点エネルギーと真空ゆらぎを持っています。」^{[ 30 ]}これは、電磁場、ディラック電子-陽電子場など、各構成場（他の場の概念的不在で考慮）ごとに量子真空の成分が存在することを意味します。ミロニ（1994）によれば、真空電磁場に起因する効果のいくつかは、いくつかの物理的解釈が可能であり、中には他のものよりも従来的なものもあります。電荷を持たない導電板間のカシミール引力は、真空電磁場の効果の例としてよく提案されます。ミロニ（1994）は、シュウィンガー、デラード、ミルトン（1978）が「真空はすべての物理的性質がゼロに等しい状態であるとみなされる」モデルでカシミール効果を妥当かつ非従来的に説明していると引用している。^{[ 31 ] [ 32 ]}このモデルでは、観測された現象は、電子の運動が電磁場に及ぼす影響、すなわちソースフィールド効果として説明される。ミロニは次のように書いている。

ここでの基本的な考え方は、カシミール力は完全に従来型の QED であっても、ソース場のみから導き出せる可能性があるということである。...ミロニは、通常真空電磁場に起因するとされる測定可能な物理的効果は、その場だけでは説明できず、電子の自己エネルギー、あるいは放射反作用からの寄与も必要であると詳細に論じている。彼は次のように書いている。「ラムシフト、ファンデルワールス力、カシミール効果など、さまざまな QED プロセスの物理的解釈に関しては、放射反作用と真空場は同じものの 2 つの側面である。」^{[ 33 ]}

この見解は、Jaffe (2005) によっても述べられています。「カシミール力は真空ゆらぎを参照せずに計算でき、QED における他のすべての観測可能な効果と同様に、微細構造定数αがゼロに近づくと消滅します。」^{[ 34 ]}

• ヨハン・ラフェルスキーとベルント・ミュラー著『構造化された真空 ― 何も考えないこと』（1985年）の無料PDF版ISBN 3-87144-889-3。
• ME ペスキンと DV シュローダー、「量子場理論入門」。
• H・ゲンツ著『無：空虚空間の科学』
• Puthoff, HE;​​ Little, SR; Ibison, M. (2001). "星間飛行のための零点場と分極可能な真空の設計". arXiv : astro-ph/0107316 .
• EW Davis、VL Teofilo、B. Haisch、HE Puthoff、LJ Nickisch、A. Rueda、DC Cole (2006)、「量子真空場の研究のための実験概念のレビュー」。

• エネルギーを物質に変換する