Перегляд вихідного коду сторінки Квантова флуктуація

[[Файл:Quantum_Fluctuations.gif|міні| 3D візуалізація квантових флуктуацій хромодинамічного квантового вакууму <ref>{{Cite web|title=Derek Leinweber|url=http://www.physics.adelaide.edu.au/theory/staff/leinweber/VisualQCD/ImprovedOperators/index.html|accessdate=2020-12-13|website=www.physics.adelaide.edu.au}}</ref>]]
У [[Квантова механіка|квантовій фізиці]] '''квантова флуктуація''' (також відома як '''флуктуація стану вакууму''' або '''флуктуація вакууму''') — це тимчасова випадкова зміна кількості енергії в точці [[Простір|простору]], <ref name="Pahlavani">{{Cite book
|url=https://books.google.com/books?id=MiyQDwAAQBAJ&q=%22virtual+particles%22+%22conservation+of+energy%22&pg=PA118
|title=Selected Topics in Applications of Quantum Mechanics
|last=Pahlavani
|first=Mohammad Reza
|date=2015
|publisher=BoD
|pages=118
|isbn=9789535121268
}}</ref> згідно з [[Принцип невизначеності|принципом невизначеності]] [[Вернер Гейзенберг|Вернера Гейзенберга]]. Флуктуації являють собою дрібні довільні коливання значень полів, які представляють елементарні частинки. Наприклад [[Електричне поле|електричних]] та [[Магнітне поле|магнітних полів]], які представляють [[Електромагнетизм|електромагнітну взаємодію,]] що переноситься [[Фотон|фотонами]], [[W- і Z-бозони|полів бозонів W і Z]] - елементарних частинок, що переносять [[Слабка взаємодія|слабку ядерну взаємодію]], і полів [[Глюон|глюонів]], які несуть [[Сильна взаємодія|сильну ядерну взаємодію]]. <ref name="Pagels">{{Cite book
|url=https://books.google.com/books?id=6tLCAgAAQBAJ&q=%22vacuum+fluctuations%22+%22conservation+of+energy%22&pg=PA275
|title=The Cosmic Code: Quantum Physics as the Language of Nature
|last=Pagels
|first=Heinz R.
|date=2012
|publisher=Courier Corp.
|pages=274–278
|isbn=9780486287324
}}</ref> Флуктуації вакууму виглядають як [[Віртуальна частинка|віртуальні частинки]], які завжди створюються в парах частинка–античастинка. <ref name="Kane">{{Cite web|last=Kane|first=Gordon|title=Are virtual particles really constantly popping in and out of existence? Or are they merely a mathematical bookkeeping device for quantum mechanics?|website=Sciences FAQ|publisher=Scientific American website, Springer Nature America|date=9 жовтня 2006|url=https://www.scientificamerican.com/article/are-virtual-particles-rea/|accessdate=5 серпня 2020}}</ref> Оскільки вони створюються спонтанно без джерела енергії, вважається, що флуктуації вакууму та віртуальні частинки порушують закон [[Закон збереження енергії|збереження енергії]]. Теоретично це допустимо, оскільки частинки [[Анігіляція|анігілюють]] одна одну в межах часу, установленого [[Принцип невизначеності|принципом невизначеності]], тому їх неможливо спостерігати безпосередньо. <ref name="Kane" /> <ref name="Pagels" />

[[Принцип невизначеності]] стверджує, що невизначеність [[Енергія|енергії]] та [[Час|часу]] можна пов’язати наступною формулою:<ref>{{Cite journal|last=Mandelshtam|first=Leonid|last2=Tamm|first2=Igor|author-link2=Тамм Ігор Євгенович|year=1945|title=Соотношение неопределённости энергия-время в нерелятивистской квантовой механике|trans-title=The uncertainty relation between energy and time in non-relativistic quantum mechanics|url=http://daarb.narod.ru/mandtamm/index-eng.html|journal=Izv. Akad. Nauk SSSR (Ser. Fiz.)|language=ru|volume=9|pages=122–128|author-link1=Мандельштам Леонід Ісаакович}} English translation: {{Cite journal|year=1945|title=The uncertainty relation between energy and time in non-relativistic quantum mechanics|journal=J. Phys. (USSR)|language=en|volume=9|pages=249–254}}</ref> <math>\Delta E \, \Delta t \geq \tfrac{1}{2}\hbar~</math>, де  {{Ндріб|1|2}} {{Large|{{mvar |[[Стала Планка|ħ]]}}}} {{Math|5.27286×10<sup>−35</sup>}}&nbsp;Js. 

Це означає, що пари віртуальних частинок з енергією <math>\Delta E</math> і терміном існування коротше ніж <math>\Delta t</math> постійно створюються і знищуються в порожньому просторі. Хоча частинки не можна безпосередньо виявити, [[кумулятивний ефект]] цих частинок можна виміряти. Наприклад, без квантових флуктуацій «гола» маса (коли енергія зіткнення частинок прагне до нескінченності) і заряд елементарних частинок були б нескінченними; з теорії [[перенормування]] [[Екранування заряду|ефект екранування]] хмари віртуальних частинок відповідає за скінченну масу та заряд елементарних частинок. Іншим наслідком є [[ефект Казимира]]. Одним із перших спостережень, яке засвідчило флуктуації вакууму, був [[Лембів зсув]] у водні. У липні 2020 року вчені повідомили, що флуктуації квантового вакууму можуть впливати на рух макроскопічних об’єктів людського масштабу, вимірюючи кореляції нижче стандартної квантової межі між невизначеністю позиції та імпульсу дзеркал [[Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія|LIGO]] та невизначеністю числа та фази фотонів світла, які вони відбивають. <ref>{{Cite news|title=Quantum fluctuations can jiggle objects on the human scale|url=https://phys.org/news/2020-07-quantum-fluctuations-jiggle-human-scale.html|accessdate=15 серпня 2020|work=phys.org|language=en}}</ref> <ref>{{Cite news|title=LIGO reveals quantum correlations at work in mirrors weighing tens of kilograms|url=https://physicsworld.com/a/ligo-reveals-quantum-correlations-at-work-in-mirrors-weighing-tens-of-kilograms/|accessdate=15 серпня 2020|work=Physics World|date=1 липня 2020}}</ref> <ref>{{Cite journal|last=Yu|first=Haocun|last2=McCuller|first2=L.|last3=Tse|first3=M.|last4=Kijbunchoo|first4=N.|last5=Barsotti|first5=L.|last6=Mavalvala|first6=N.|date=July 2020|title=Quantum correlations between light and the kilogram-mass mirrors of LIGO|url=https://www.nature.com/articles/s41586-020-2420-8|journal=Nature|language=en|volume=583|issue=7814|pages=43–47|arxiv=2002.01519|bibcode=2020Natur.583...43Y|doi=10.1038/s41586-020-2420-8|issn=1476-4687|pmid=32612226}}</ref>

== Коливання полів ==
У [[Квантова теорія поля|квантовій теорії поля]] усі поля зазнають квантових флуктуацій. Можна провести досить чітке розмежування між квантовими флуктуаціями та [[Флуктуація (фізика)|тепловими флуктуаціями]] [[Квантова теорія поля|квантового поля]] (принаймні для вільного поля; для взаємодіючих полів [[перенормування]] суттєво ускладнює справу). Ілюстрацію цієї відмінності можна побачити, розглядаючи квантові та класичні поля Клейна-Гордона: <ref>{{Cite journal|last=Morgan|first=Peter|year=2001|title=A classical perspective on nonlocality in quantum field theory|url=https://archive.org/details/arxiv-quant-ph0106141|language=en|arxiv=quant-ph/0106141|bibcode=2001quant.ph..6141M}}</ref> Для [[Рівняння Клейна — Ґордона|квантованого поля Клейна-Гордона]] у [[Нульовий стан квантової системи|вакуумному стані]] можна обчислити щільність ймовірності того, що ми спостерігатимемо конфігурацію <math>{\displaystyle\varphi_t(x)}</math> в момент часу {{Mvar|t}} в термінах його [[перетворення Фур'є]] <math>{\displaystyle\tilde\varphi_t(k)}</math> бути

: <math>\rho_0[\varphi_t] = \exp{\left[-\frac{1}{\hbar}
    \int\frac{d^3k}{(2\pi)^3}
      \tilde\varphi_t^*(k)\sqrt{|k|^2+m^2}\;\tilde \varphi_t(k)\right]}~.</math>

На противагу цьому, для [[Рівняння Клейна — Ґордона|класичного поля Клейна–Гордона]] при ненульовій температурі щільність ймовірності Гіббса каже, що ми спостерігатимемо конфігурацію <math>{\displaystyle\varphi_t(x)}</math> на проміжку <math>t</math>

: <math>\rho_E[\varphi_t] = \exp{[-H[\varphi_t]/k_\mathrm{B}T]} = \exp{\left[-\frac{1}{k_\mathrm{B}T} \int\frac{d^3k}{(2\pi)^3}
      \tilde\varphi_t^*(k){\scriptstyle\frac{1}{2}}(|k|^2+m^2)\;\tilde \varphi_t(k)\right]}~.</math>

Ці розподіли ймовірностей ілюструють, що можлива будь-яка можлива конфігурація поля з амплітудою квантових флуктуацій, що контролюються [[Стала Планка|постійною Планкою]] <math>\hbar</math>, так само як амплітуда теплових коливань контролюється <math>k_\mathrm{B}T</math>, де {{Mvar|k}} B — [[Стала Больцмана|постійна Больцмана]]. Зауважте, що наступні три моменти тісно пов’язані між собою:

# Постійна Планка має одиниці [[Дія (фізика)|дії]] (джоуль-секунди) замість одиниць енергії (джоулів),
# квантовим ядром є <math> \sqrt{|k|^2+m^2\,}\,</math> замість <math> {\scriptstyle\frac{1}{2}}(|k|^2+m^2)</math> (квантове ядро є нелокальним з точки зору класичного теплового ядра, але воно локальне в тому сенсі, що не дозволяє передавати сигнали), 
# стан квантового вакууму є лоренц-інваріантним, тоді як класичний тепловий стан – ні (класична динаміка є лоренц-інваріантною, але щільність ймовірності Гіббса не є лоренц-інваріантною початковою умовою).

Ми можемо побудувати [[Поле (фізика)|класичне безперервне випадкове поле]], яке має ту саму щільність ймовірності, що й стан квантового вакууму, так що принциповою відмінністю від квантової теорії поля є теорія вимірювання (вимірювання у квантовій теорії відрізняється від вимірювання для класичного безперервного випадкового поля тим, що в класичному вимірюванні завжди взаємно сумісні – у квантово-механічних термінах вони завжди комутують).

== Додаткова інформація ==
 [[Ефект Казимира]]

== Посилання ==
{{Reflist|25em}}
[[Категорія:Космологічна інфляція]]
[[Категорія:Квантова механіка]]