Поляризация вакуума

У этого термина существуют и другие значения, см. Поляризация.

Поляризация вакуума — совокупность виртуальных процессов рождения и аннигиляции пар частиц в вакууме, обусловленных квантовыми флуктуациями. Эти процессы формируют нижнее (вакуумное) состояние систем взаимодействующих квантовых полей.

Механизм поляризации вакуума

Диаграмма Фейнмана для процесса поляризации вакуума (однопетлевое приближение). Виртуальная петля

В отличие от абстрактного (математического) вакуума, который представляется абсолютной пустотой, реальный (физический) вакуум является пустым только «в среднем». На это «среднее» и настроены наши приборы. Однако как бы хорошо мы ни опустошили и ни экранировали определённую область пространства, в ней в силу принципа неопределённости могут существовать виртуальные частицы. В том числе возможно даже рождение заряженных частиц в паре со своей античастицей — это так называемая виртуальная петля на диаграмме Фейнмана. Петля может существовать очень короткое время в пределах квантовой неопределённости ${\displaystyle \delta t\approx \hbar /\delta E}$, чтобы не нарушать закон сохранения энергии. Но если на вакуум воздействует внешнее поле, то за счёт его энергии возможно рождение реальных частиц. Взаимодействие частиц с вакуумом приводит к изменению массы и заряда частиц^[1].

Поляризация вакуума и квантовая электродинамика

Поляризация вакуума в квантовой электродинамике заключается в образовании виртуальных электронно-позитронных (а также мюон-антимюонных и таон-антитаонных) пар из вакуума под влиянием электромагнитного поля. Поляризация вакуума приводит к радиационным поправкам к законам квантовой электродинамики и к взаимодействию нейтральных частиц с электромагнитным полем.^[2][3]

Поляризация вакуума и квантовая хромодинамика

Поляризация вакуума глюонами в квантовой хромодинамике приводит к антиэкранировке цветового заряда и ненаблюдаемости свободных кварков.^[4].

Поляризация вакуума и гравитация

На сверхмалых расстояниях (${\displaystyle 10^{-33}}$ см) возникает связь квантовых эффектов с гравитационными. Сверхтяжёлые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. Массы таких частиц ${\displaystyle m\approx {\sqrt {\frac {\hbar c}{g}}}}$, примерно ${\displaystyle 10^{19}}$ ГэВ/c² (планковская масса), длина волны ${\displaystyle \lambda \approx {\frac {\hbar }{mc}}}$, примерно ${\displaystyle 10^{-33}}$ см (планковская длина)^[1]. Предполагается, что процессы гравитационной поляризации вакуума играют важную роль в космологии^[5].

С другой стороны, вполне возможно, что на таких расстояниях традиционные представления о пространстве и времени (и, в том числе, о поляризации вакуума) становятся совершенно неприменимыми, и привычный квантовополевой подход перестаёт быть адекватным, уступая место теориям квантовой гравитации, основанным на выявлении необычных геометрических и топологических свойств квантованного пространства-времени, таким, как М-теория, петлевая квантовая гравитация и причинная динамическая триангуляция.

Явления, обусловленные поляризацией вакуума

• Аномальный магнитный момент
• Дельбрюковское рассеяние
• Эффект Унру
• Лэмбовский сдвиг
• Эффект Казимира
• Излучение Хокинга
• Эффект Шарнхорста

Литература

• Поляризация вакуума — статья из Физической энциклопедии

Примечания

1. «Физика от А до Я» / Сост. В. А. Чуянов, 4-е изд., испр., М., ОАО Издательство «Педагогика-Пресс», ООО Издательский дом «Современная педагогика», 2003, ISBN 5-7155-0790-1 (ОАО Издательство «Педагогика-Пресс»), ISBN 5-94054-026-0 (ООО Издательский дом «Современная педагогика»), УДК 087.5:53, ББК 22.3я2, Ф 50, ст. «Вакуум физический», с. 49-51;
2. Окунь Л. Б. «Физика элементарных частиц», изд. 3-е, М., «Едиториал УРСС», 2005, ISBN 5-354-01085-3, ББК 22.382 22.315 22.3о, гл. 2 «Гравитация. Электродинамика», «Поляризация вакуума», с. 26-27;
3. «Физика микромира», Маленькая энциклопедия. гл. ред. Д. В. Ширков, М., «Советская энциклопедия», 1980, 528 с., илл., 530.1(03), Ф50, ст. «Поляризация вакуума», авт. ст. Д. В. Ширков, стр. 496;
4. Окунь Л. Б. «Физика элементарных частиц», изд. 3-е, М., «Едиториал УРСС», 2005, ISBN 5-354-01085-3, ББК 22.382 22.315 22.3о, гл. 3 «Сильное взаимодействие», «Асимптотическая свобода и конфайнмент», с. 45-47;
5. Я. Б. Зельдович «Теория вакуума, быть может, решает загадку космологии», Успехи физических наук, т. 133, вып. 3, 1981, март, с. 479—503