量子真空状態

量子場理論では、量子真空状態（量子真空または真空状態とも呼ばれる）は、可能な限りエネルギーが低い量子状態です。通常、物理的な粒子は含まれません。ゼロ点場という用語は、完全に独立した量子場の真空状態の同義語として使用されることがあります。^[^{説明が必要}^]

^{真空状態または量子真空と呼ばれる}ものの現在の理解によれば、それは「決して単純な空の空間ではない」。^[1]^[2]^量子力学によれば、真空状態は真に空ではなく、量子場に出入りするつかの間の電磁波と粒子を含む。 ^[3]^[4]^[5]

量子電磁力学（QED）のQED真空は、量子場理論で最初に開発された真空である。QEDは1930年代に始まり、1940年代後半から1950年代前半にかけて、ファインマン、朝永、シュウィンガーによって再定式化され、3人は1965年にこの研究でノーベル賞を受賞した。 ^[6]今日では、電磁相互作用と弱い相互作用は、電弱相互作用の理論で統一されている（非常に高いエネルギーでのみ）。

標準モデルはQEDの研究を一般化したものであって、既知の素粒子とその相互作用（重力を除く）をすべて含んでいる。量子色力学（QCD）は標準モデルのうち強い相互作用を扱う部分であり、QCD真空は量子色力学の真空である。これは大型ハドロン衝突型加速器と相対論的重イオン衝突型加速器の研究対象であり、強い相互作用のいわゆる真空構造と関連している。^[7]

ゼロでない期待値

自発的なパラメトリックダウンコンバージョンによって増幅された真空の変動（赤いリング内）を示す実験のビデオ。

場の量子論が摂動論によって正確に記述できる場合、真空の特性は量子力学的調和振動子の基底状態、より正確には測定問題の基底状態の特性に類似している。この場合、任意の場の演算子の真空期待値(VEV)はゼロになる。摂動論が低エネルギーで破綻する場の量子論 (たとえば、量子色力学や超伝導のBCS 理論) の場合、場の演算子は凝縮と呼ばれるゼロにならない真空期待値を持つことがある。標準モデルでは、自発的な対称性の破れから生じるヒッグス場の非ゼロの真空期待値が、理論の他の場が質量を獲得するメカニズムである。

エネルギー

真空状態はゼロ点エネルギーと関連付けられており、このゼロ点エネルギー（可能な限り最低のエネルギー状態に相当）は測定可能な効果を持ちます。実験室ではカシミール効果として検出される場合があります。物理宇宙論では、宇宙の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の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]潜在的な}万物の理論に課せられる顕著な要件は、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。

対称

相対論的場の理論では、真空はポアンカレ不変であり、これはワイトマン公理に従うが、これらの公理なしに直接証明することもできる。^[9]ポアンカレ不変とは、場の演算子のスカラー組み合わせのみがゼロでないVEV を持つことを意味する。VEV は場の理論のラグランジアン内部の対称性の一部を破る可能性がある。この場合、真空の対称性は理論が許すよりも小さくなり、自発的な対称性の破れが発生したと言われる。ヒッグス機構、標準モデルを参照。

非線形誘電率

マクスウェル方程式の量子補正により、真空中にわずかな非線形電気分極項が生じ、その結果、電界に依存する電気誘電率 ε が真空誘電率の公称値 ε ₀から外れると考えられる。^[10]これらの理論的展開は、例えば、Dittrich と Gies で説明されている。^[5]量子電気力学の理論では、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と、誘電率は ε _{0に対してわずかな量だけ増加すると予測されている。進行中の実験的努力}^[11]により、強い電界が自由空間の有効透磁率を変化させ、電界の方向でμ ₀をわずかに下回り、垂直方向でμ _{0 をわずかに超える}異方性になる可能性がある。電界にさらされた量子真空は、電界以外の方向に伝わる電磁波に対して複屈折を示す。この効果はカー効果に似ているが、物質は存在しない。^{[12]この小さな非線形性は、仮想}対生成の観点から解釈することができます^{。 [13]}非線形性が大きくなる特性電場強度は、約V/m と非常に大きいと予測されており、シュウィンガー限界として知られています。等価カー定数は、水のカー定数の約 10 ²⁰倍小さいと推定されています。量子電気力学以外の粒子物理学からの二色性の説明も提案されています。^[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]まだ成功していません。 $1.32\times 10^{18}$

仮想粒子

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る。非交換性とは、量子真空では場の平均値は消えるが、その分散は消えないことを意味する。^{[16] 「}真空の変動」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」の証拠として描写されている。^[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図式を提供しようとする試みが時々ある。 (Δ Eと Δ tはそれぞれエネルギーと時間の変動、Δ Eはエネルギー測定の精度、Δ tは測定にかかる時間、 $ħ$ は縮小プランク定数) 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、そのため短時間の粒子生成が可能になるという主張である。^[19]仮想粒子の現象は受け入れられているが、エネルギーと時間の不確定性関係のこの解釈は普遍的ではない。^[20]^[21] 1つの問題は、測定精度を制限する不確定性関係の使用であり、あたかも時間の不確定性 Δ t がエネルギー Δ E を借りるための「予算」を決定するかのようだ。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（例えば位置 $q$ と運動量 $p$ とは異なり）は、標準的な交換関係（ $[$ $q$ $,$ $p$ $] = i$ $ħ$ 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、エネルギーとの標準的な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いる。^[23]^[24]エネルギーと時間の不確定性原理への多くのアプローチは、長く続く課題である。^[24] $\Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}\,,$

量子真空の物理的性質

アストリッド・ランブレヒト（2002）によると、「すべての物質を空間から排除し、温度を絶対零度まで下げると、思考実験で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）によると、熱力学の第3法則は次のように正確に表現できます。

どのような手順であっても、どんなに理想化されたものであっても、有限回数の操作でアセンブリを絶対零度まで下げることは不可能である。^{[25] （}^[26]^[27]^[28]も参照）

光子間相互作用は、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を通じてのみ発生し、これは真空分極の概念に関連しています。^[29]Milonni (1994)によると、「...すべての量子場はゼロ点エネルギーと真空変動を持っています。」^[30]これは、電磁場、ディラック電子陽電子場などの各成分場（他の場が概念的に存在しない場合）ごとに、それぞれ量子真空の成分があることを意味します。Milonni (1994) によると、真空電磁場に起因する効果の一部には、いくつかの物理的な解釈があり、その中には他のものよりも慣習的なものがあります。真空電磁場の効果の例として、帯電していない導電板間のカシミール引力がしばしば提案されています。シュウィンガー、デラード、ミルトン (1978) は、ミロニ (1994) によって引用され、型破りではあるがカシミール効果を「真空はすべての物理的特性がゼロである真の状態とみなされる」モデルで有効に説明している。^[31]^[32]このモデルでは、観測された現象は電子の動きが電磁場に与える影響として説明され、ソースフィールド効果と呼ばれている。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のQEDでもソースフィールドのみから得られる可能性があるということです。ミロニは、真空電磁場に起因すると通常考えられている測定可能な物理的効果は、そのフィールドだけでは説明できず、電子の自己エネルギー、またはそれらの放射反応からの寄与も必要であるという詳細な議論を提供しています。彼は次のように書いています。「ラムシフト、ファンデルワールス力、カシミール効果を含むさまざまなQEDプロセスの物理的解釈に関しては、放射反応と真空場は同じものの2つの側面です。」[ ^33]

この観点はジャッフェ（2005）によっても述べられている：「カシミール力は真空の揺らぎに関係なく計算でき、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 $α$ がゼロになると消える。」^[34]

表記

真空状態はまたはと表記されます。任意のフィールドの真空期待値(期待値も参照)はと表記されます。 $|0\rangle$ $|\rangle$ $\phi$ $\langle 0|\phi |0\rangle$

参照

参考文献

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さらに読む

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外部リンク

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