حالة الفراغ الكمومي

في نظرية الحقل الكمومي ، تُعرف حالة الفراغ الكمومي (وتُسمى أيضًا الفراغ الكمومي أو حالة الفراغ ) بأنها الحالة الكمومية ذات أدنى طاقة ممكنة. وعمومًا، لا تحتوي على جسيمات مادية. مع ذلك، فإن الفراغ الكمومي ليس مجرد فراغ بسيط، ^{[ 1 ] [ 2 ]} بل يحتوي على موجات كهرومغناطيسية عابرة وجسيمات تظهر وتختفي من الحقل الكمومي. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

كان فراغ الديناميكا الكهربائية الكمومية ( QED ) أول فراغ في نظرية الحقل الكمومي يتم تطويره. نشأت نظرية QED في ثلاثينيات القرن العشرين، وفي أواخر أربعينيات وأوائل خمسينيات القرن العشرين، أعاد فاينمان وتوموناغا وشوينغر صياغتها ، وحصلوا معًا على جائزة نوبل عن هذا العمل عام 1965. ^{[ 6 ]} واليوم، يتم توحيد التفاعلات الكهرومغناطيسية والتفاعلات الضعيفة (عند الطاقات العالية جدًا فقط) في نظرية التفاعل الكهروضعيف .

النموذج القياسي هو تعميم لأعمال الديناميكا الكهربائية الكمية ليشمل جميع الجسيمات الأولية المعروفة وتفاعلاتها (باستثناء الجاذبية). الديناميكا اللونية الكمية (أو QCD) هي جزء من النموذج القياسي الذي يتناول التفاعلات القوية ، وفراغ الديناميكا اللونية الكمية هو فراغ الديناميكا اللونية الكمية. وهو موضوع الدراسة في مصادم الهادرونات الكبير ومصادم الأيونات الثقيلة النسبية ، ويرتبط بما يُسمى بنية الفراغ للتفاعلات القوية . ^{[ 7 ]}

إذا أمكن وصف نظرية الحقل الكمومي بدقة باستخدام نظرية الاضطراب ، فإن خصائص الفراغ تُشابه خصائص الحالة الأرضية للمذبذب التوافقي الكمومي ، أو بدقة أكبر، الحالة الأرضية لمسألة قياس . في هذه الحالة، تتلاشى القيمة المتوقعة للفراغ لأي مؤثر حقل . أما في نظريات الحقل الكمومي التي تنهار فيها نظرية الاضطراب عند الطاقات المنخفضة (مثل الديناميكا اللونية الكمومية أو نظرية BCS للموصلية الفائقة )، فقد تحصل مؤثرات الحقل على قيم متوقعة للفراغ غير صفرية نتيجةً لكسر التناظر التلقائي . في النموذج القياسي، يكتسب حقل هيغز قيمة متوقعة غير صفرية عند كسر التناظر الكهروضعيف، وهذا يُفسر جزءًا من كتل الجسيمات الأخرى.

ترتبط حالة الفراغ بطاقة نقطة الصفر ، وهذه الطاقة (المكافئة لأدنى حالة طاقة ممكنة) لها تأثيرات قابلة للقياس. ويمكن رصدها في المختبر كتأثير كازيمير . في علم الكونيات الفيزيائي ، تظهر طاقة الفراغ الكوني على شكل الثابت الكوني . وقد حُسبت طاقة سنتيمتر مكعب من الفضاء الفارغ، مجازيًا، لتكون جزءًا من تريليون من الإرج (أو 0.6 إلكترون فولت). ^{[ 8 ]} ومن المتطلبات الأساسية لنظرية كل شيء المحتملة أن تفسر طاقة حالة الفراغ الكمومي الثابت الكوني المرصود فيزيائيًا.

في نظرية المجال النسبية ، يكون الفراغ ثابتًا وفقًا لمبدأ بوانكاريه ، وهو ما يستنتج من بديهيات وايتمان ، ولكن يمكن إثباته مباشرةً دون هذه البديهيات. ^{[ 9 ]} يشير ثبات بوانكاريه إلى أن التراكيب العددية فقط لمؤثرات المجال لها قيم متوقعة غير معدومة للفراغ . قد يكسر الفراغ بعض التناظرات الداخلية لدالة لاغرانج في نظرية المجال. في هذه الحالة، يكون للفراغ تناظر أقل مما تسمح به النظرية، ويُقال حينها إن كسرًا تلقائيًا للتناظر قد حدث.

من المتوقع أن تُؤدي التصحيحات الكمومية لمعادلات ماكسويل إلى ظهور حد استقطاب كهربائي غير خطي ضئيل في الفراغ، مما ينتج عنه سماحية كهربائية ε تعتمد على المجال الكهربائي، وتنحرف عن القيمة الاسمية ε₀ _{لسماحية} الفراغ . [ ^{10 ] هذه} التطورات النظرية موصوفة، على سبيل المثال، في ديتريش وجيز. ^{[ 5 ]} تتنبأ نظرية الديناميكا الكهربائية الكمومية بأن فراغ الديناميكا الكهربائية الكمومية يجب أن يُظهر لاخطية طفيفة، بحيث تزداد السماحية بمقدار ضئيل جدًا بالنسبة إلى _ε₀ في وجود مجال كهربائي قوي جدًا . مع الأخذ في الاعتبار الجهود التجريبية الجارية ^{[ 11 ]،} هناك احتمال أن يُعدِّل مجال كهربائي قوي النفاذية الفعالة للفضاء الحر ، ليصبح غير متناحٍ بقيمة أقل بقليل من _μ₀ في اتجاه المجال الكهربائي، وأعلى بقليل من _μ₀ في الاتجاه العمودي عليه. يُظهر الفراغ الكمومي المُعرَّض لحقل كهربائي انكسارًا مزدوجًا لموجة كهرومغناطيسية تنتقل في اتجاه معاكس لاتجاه الحقل الكهربائي. يشبه هذا التأثير تأثير كير ، ولكن دون وجود مادة. ^{[ 12 ]} يمكن تفسير هذه اللاخطية الضئيلة من خلال إنتاج الأزواج الافتراضية . ^{[ 13 ]} يُتوقع أن تكون شدة الحقل الكهربائي المميزة التي تصبح عندها اللاخطية كبيرة هائلة، حوالي${\displaystyle 1.32\times 10^{18}}$V/m، والمعروفة بحد شوينجر ؛ وقد قُدِّر ثابت كير المكافئ ، وهو أصغر بنحو 10 ^{إلى 20} مرة من ثابت كير للماء. كما طُرحت تفسيرات لظاهرة ثنائية اللون من فيزياء الجسيمات، خارج نطاق الديناميكا الكهربائية الكمومية. ^{[ 14 ]} يُعدّ قياس هذا التأثير تجريبيًا أمرًا صعبًا، ^{[ 15 ]} ولم يُكلل بالنجاح حتى الآن.

يمكن إثبات وجود الجسيمات الافتراضية بدقة استنادًا إلى عدم تبادل الحقول الكهرومغناطيسية الكمومية . ويعني عدم التبادل أنه على الرغم من تلاشي القيم المتوسطة للحقول في الفراغ الكمومي، فإن تبايناتها لا تتلاشى. ^{[ 16 ]} ويشير مصطلح " تقلبات الفراغ " إلى تباين شدة المجال في حالة الطاقة الدنيا، ^{[ 17 ]} ويُوصف بشكل مجازي بأنه دليل على وجود "الجسيمات الافتراضية". ^{[ 18 ]} ويُحاول أحيانًا تقديم صورة بديهية للجسيمات الافتراضية، أو التباينات، استنادًا إلى مبدأ هايزنبرغ لعدم اليقين في الطاقة والزمن . $${\displaystyle \Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}\,,}$$ (حيث يمثل ΔE و Δt تغيرات الطاقة والزمن على التوالي؛ ΔE هي دقة قياس الطاقة، وΔt هو الزمن المستغرق في القياس، و ħ هو ثابت بلانك المختزل ) ويُجادل هذا بأن العمر القصير للجسيمات الافتراضية يسمح "باستعارة" طاقات كبيرة من الفراغ، وبالتالي يُتيح توليد الجسيمات لفترات زمنية قصيرة. ^{[ 19 ]} على الرغم من قبول ظاهرة الجسيمات الافتراضية، فإن هذا التفسير لعلاقة عدم اليقين بين الطاقة والزمن ليس عالميًا. ^{[ 20 ] [ 21 ]} إحدى المشكلات هي استخدام علاقة عدم يقين تُحد من دقة القياس كما لو أن عدم اليقين الزمني Δt يُحدد "ميزانية" لاستعارة الطاقة ΔE . مشكلة أخرى هي معنى "الزمن" في هذه العلاقة، لأن الطاقة والزمن (على عكس الموضع q والزخم p ، على سبيل المثال) لا يُحققان علاقة تبادلية أساسية (مثل [ q , p ] = i ħ ). ^{[ 22 ]} طُرحت مخططاتٌ عديدةٌ لبناء كميةٍ قابلةٍ للرصد لها نوعٌ من التفسير الزمني، ومع ذلك فهي تُحقق علاقة تبادلٍ أساسيةً مع الطاقة. ^{[ 23 ] [ 24 ]} تُعدّ العديد من المقاربات لمبدأ عدم اليقين في الطاقة والزمن موضوعًا طويلًا ومستمرًا. ^{[ 24 ]}

بحسب أستريد لامبرخت (2002): "عندما يُفرغ المرء حيزًا من كل المادة ويُخفض درجة حرارته إلى الصفر المطلق، فإنه يُنتج في تجربة فكرية حالة الفراغ الكمومي." ^{[ 1 ]} ووفقًا لفولر وجوجنهايم (1939/1965)، يمكن صياغة القانون الثالث للديناميكا الحرارية بدقة على النحو التالي:

يستحيل بأي طريقة، مهما كانت مثالية، اختزال أي تجميعة إلى الصفر المطلق في عدد محدود من العمليات. ^{[ 25 ]} (انظر أيضًا ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} )

لا يمكن أن يحدث تفاعل الفوتون-فوتون إلا من خلال التفاعل مع حالة الفراغ لحقل آخر، مثل حقل ديراك للإلكترون-بوزيترون في الفراغ؛ ويرتبط هذا بمفهوم استقطاب الفراغ . ^{[ 29 ]} ووفقًا لميلوني (1994): "... جميع الحقول الكمومية لها طاقات نقطة الصفر وتقلبات في الفراغ." ^{[ 30 ]} وهذا يعني وجود مُركِّب للفراغ الكمومي لكل حقل مُكوِّن (يُفترض غياب الحقول الأخرى فيه)، مثل الحقل الكهرومغناطيسي، وحقل ديراك للإلكترون-بوزيترون، وما إلى ذلك. ووفقًا لميلوني (1994)، يمكن تفسير بعض التأثيرات المنسوبة إلى الحقل الكهرومغناطيسي في الفراغ بعدة تفسيرات فيزيائية، بعضها أكثر شيوعًا من غيرها. وغالبًا ما يُطرح تجاذب كازيمير بين لوحين موصلين غير مشحونين كمثال على تأثير الحقل الكهرومغناطيسي في الفراغ. يستشهد ميلوني (1994) بدراسة شوينجر، وديراد، وميلتون (1978) باعتبارها تفسيرًا صحيحًا، وإن كان غير تقليدي، لتأثير كازيمير، وذلك من خلال نموذج يُعتبر فيه "الفراغ حالةً حقيقيةً ذات جميع الخصائص الفيزيائية مساويةً للصفر". ^{[ 31 ] [ 32 ]} في هذا النموذج، تُفسَّر الظواهر المرصودة على أنها تأثيرات حركة الإلكترونات على المجال الكهرومغناطيسي، وهو ما يُسمى بتأثير مجال المصدر. يكتب ميلوني:

تتلخص الفكرة الأساسية هنا في أن قوة كازيمير قد تُستمد من حقول المصدر وحدها حتى في الديناميكا الكهربائية الكمية التقليدية تمامًا، ... يقدم ميلوني حجة مفصلة مفادها أن التأثيرات الفيزيائية القابلة للقياس، والتي تُعزى عادةً إلى المجال الكهرومغناطيسي للفراغ، لا يمكن تفسيرها بهذا المجال وحده، بل تتطلب بالإضافة إلى ذلك مساهمة من الطاقة الذاتية للإلكترونات، أو تفاعلها الإشعاعي. يكتب: "يُعد التفاعل الإشعاعي وحقول الفراغ وجهين لعملة واحدة عندما يتعلق الأمر بالتفسيرات الفيزيائية لعمليات الديناميكا الكهربائية الكمية المختلفة، بما في ذلك إزاحة لامب ، وقوى فان دير فالس ، وتأثيرات كازيمير." ^{[ 33 ]}

وقد ذكر جافي (2005) وجهة النظر هذه أيضًا: "يمكن حساب قوة كازيمير دون الرجوع إلى تقلبات الفراغ، ومثل جميع التأثيرات الأخرى القابلة للملاحظة في الديناميكا الكهربائية الكمية، فإنها تتلاشى عندما يقترب ثابت البنية الدقيقة، α ، من الصفر." ^{[ 34 ]}

• نسخة PDF مجانية من كتاب "الفراغ المنظم - التفكير في اللاشيء" ليوهان رافيلسكي وبيرندت مولر (1985) ISBN 3-87144-889-3.
• إم إي بيسكين ودي في شرودر، مقدمة في نظرية الحقل الكمومي .
• هـ. جينز، العدم: علم الفضاء الفارغ.
• بوتوف، هـ. إي؛ ليتل، س. ر؛ إيبسون، م. (2001). "هندسة مجال النقطة الصفرية والفراغ القابل للاستقطاب للرحلات بين النجوم". arXiv : astro-ph/0107316 .
• EW Davis, VL Teofilo, B. Haisch, HE Puthoff, LJ Nickisch, A. Rueda and DC Cole (2006), " مراجعة للمفاهيم التجريبية لدراسة مجال الفراغ الكمي ".

• تحويل الطاقة إلى مادة