Електромагнітний вакуум

Відповідно до квантової теорії полявакуум - це не абсолютна порожнеча, в якій взагалі нічого немає. Він має деякі фізичні властивості і може перебувати в різних фізичних станах. Сучасна фізика робить спроби встановити властивості фізичного вакууму з урахуванням емпіричних даних. І якщо якомусь гіпотетичному ефіру в XIX столітті приписували механічні властивості, які в принципі були відмінними від механічних властивостей звичайної матерії, то фізичному вакууму механічних властивостей не призначають.

Якщо точним, розрізняють кілька типів вакууму. Класифікація проводиться в залежності від того, з якими частинками та полями він зв'язується.

Електромагнітне поле

Розглянемоелектромагнітне поле. Поле фотонів віддає енергію з допомогою квантів, величина яких $h\nu $. При кожному акті передачі енергії кількість фотонів зменшується на одиницю. Якщо провести послідовність таких процесів, то, зрештою, виникне стан, у якому кількість квантів у системі дорівнюватиме нулю. Відповідно до класичних уявлень при цьому електромагнітне поле зникає. Якщо ми дотримуємося уявлень квантової механіки, то справа інакша. Електромагнітне поле не зникає, а переходить у стан із мінімальною енергією. У цьому стані фотонів немає. Такий стан називається електромагнітного (фотонного) вакууму. У стані вакууму електромагнітне поле не може бути джерелом енергії, але це не означає, що воно взагалі не може проявити себе. Електромагнітний вакуум є причиною деяких фізичних явищ, які можна детектувати.

Спробуй звернутися за допомогою до викладачів

Якщо електромагнітному полю, яке знаходиться у стані вакууму,повідомляють енергію, якої достатньо для переходу до збудженого стану, то говорять про народження кванта поля (фотона). Виникнення частинки поля описують як перехід із «невидимого» стану вакууму в «реальний» стан.

Аналогічно вводять поняття, наприклад, електронно - позитронного вакууму (як про нижчий стан (за енергією) відповідного частинкам поля). Виділяють вакуум $-pi мезонів. Якщо досліджують взаємодію полів, то говорять про вакуум як про нижчий енергетичний стан системи полів.

Відповідно до сучасної теорії взаємодії між частинками реалізується за допомогою обміну якимись іншими частинками, яким відповідає свій вакуум. Електромагнітна взаємодія, що виникає між частинками, що мають заряди, відбувається за допомогою електромагнітного вакууму. При цьому один із електричних зарядів випромінює фотон, який поглинається іншим зарядом, який також випромінює фотон, а він поглинається першим зарядом. Як результат відбувається зміна незбудженого стану вакууму. Це проявляється через силу взаємодії між частинками, які обмінюються фотонами.

Задай питання спеціалістам і отримай відповідь вже через 15 хвилин!

До тих пір, поки заряджені частинки не вступили у взаємодію, кожна з них є вільною. Вільна частка не випромінює і не поглинає квантів енергії. Якщо це було б не так, то порушувався закон збереження енергії або закон збереження імпульсу. Але слід враховувати, що сказане вище відноситься до випромінювання реальних частинок. Взаємодія реалізується у вигляді віртуальних частинок, що ліквідує наведене протиріччя. Якщо бути абсолютно точними, слід говорити про обмін при взаємодії віртуальними частинками.

Віртуальні часткиіснують лише у проміжних станах і дуже короткий час. При цьому час існування такої частки ($ triangle t $) пов'язано з невизначеністю її енергії ($ triangle W $) співвідношенням:

І виконується невизначеність координати та імпульсу:

Якщо існують співвідношення невизначеностей (1) і (2), то закони збереження вже не можуть бути перешкодою до випускання квантів реальними вільними частинками в тому випадку, якщо даним квантам властива енергія $triangle W$ і існують вони час $triangle t$:

Віртуальною можна назвати частинку, для якої не реалізується класичний зв'язок між енергією та імпульсом виду:

Проміжок часу $\triangle t$ вважають часом, протягом якого відбувається обмін між частинками, що взаємодіють. Взаємодія між зарядженими частинками здійснюється зі швидкістю світла, отже маємо:

де $ R $ - радіус взаємодії. Енергія кванта $\triangle W$ дорівнює:

де $ m_0 $ - маса спокою кванта. Для фотона маса спокою дорівнює нулю. З виразу (6) випливає:

Оскільки маса спокою фотона дорівнює нулю, можна зробити висновок у тому, що радіус дії сил Кулона нескінченний.

Виходить, що принцип невизначеності є основою того, що будь-яка частка, що має заряд, оточена хмарою віртуальних фотонів, які випускаються і поглинаються і переносять взаємодії.

Вакуум можна представити як суперпозицію нульових коливань поля, тобто станів з віртуальними фотонами, що з'являються і зникають. Дані віртуальні фотони взаємодіють між собою та з реальними частинками. Так було в полі атомного ядра (електричному полі) віртуальні електрони і позитрони поширені нерівномірно. Віртуальні позитрони зміщені в основному по полю, тоді як віртуальніелектрони – проти поля. Так з'являється поляризація вакууму, яка аналогічна поляризації діелектрика у зовнішньому полі. Відмінність у тому, що у вакуумі йдеться про усунення віртуальних зарядів.

Приклади завдань

Квантові флуктуації вакууму викликають зсув тонкої структури рівнів енергії атома водню від того, що має виходити відповідно до теорії Дірака. Як існування електромагнітного вакууму пояснює лембовський зсув?

Основними в лембівському зрушенні є 2 вакуумні ефекти:

Випускання та поглинання електроном віртуальних фотонів. Це веде до зміни ефективної маси електрона і виникнення аномального магнітного моменту.
Поляризація вакууму, тобто виникнення та анігіляція у вакуумі віртуальних електронно-позитронних пар. Це спотворює кулоновський потенціал ядра на відстанях приблизно рівних $\sim^см$. Ця відстань набагато менша, ніж Боровкий радіус у водні, тому більший внесок у зсув енергорівнів робить причина номер 1. Поляризація веде до однакового для всіх рівнів зсуву.

Відповідно до теорії, яка не суперечить експерименту, лембовський зсув рівня пропорційний четвертому ступеню номера атома і обернено пропорційний кубу головного квантового числа.

Так, $s$-електрон основну частину часу проводить біля ядра в сильному, значно неоднорідному полі ядра. При цьому p-електрон знаходиться (в середньому) на великих відстанях від ядра, де поле слабше і однорідніше. Взаємодія з вакуумом розгойдує електрон. Якщо використовувати термінологію класичної фізики, можна сказати, що орбіта електрона - це плавна крива, а звивиста лінія. Через війну електрон хаотично від ядра віддаляється, чи -- наближається. Потенційнаенергія зарядженої частки у полі ядра може бути оцінена як:

Якщо відстань від ядра до електрона збільшується від $ r до r + triangle r $, то зміну потенційної енергії можна визначити як:

Якщо відстань від ядра до електрона зменшується, то зміна потенційної енергії:

З виразів (1.2) і (1.3) видно, що $\left\triangle U'right &left\triangle Uright.$ Вакуумне тремтіння електрона змінює знак його потенційної енергії $U$. При цьому особливо великою є зміна потенційної енергії біля ядра і різко змінюється зі збільшенням відстані. Виходить, що вакуумні добавки до повної енергії $W$ більші для s-електронів, ніж для $p$ - електронів. Це явище і стає основним внеском у розсування енергорівнів $s-$ і $p$-електронів, які за відсутності вакуумних добавок до повної енергії практично збіглися б.

Вільне електромагнітне поле у певному обсязі можна як системи нескінченно великий сукупності осциляторів поля (мод поля). Що можна сказати про енергію електромагнітного вакууму, якщо розглядати таку модель поля?

Моду поля визначають сукупністю стаціонарних станів, що мають енергію:

де $k$ -- квант поля в стаціонарному стані ($\left\left.k\right\rangle =ф_k\left(\varepsilon \right)\right.$). В основному стані поля (електромагнітний вакуум) $k=0.$ З виразу (2.1) виходить, що в самому нижньому стані кожен осцилятор має енергію, яка не дорівнює нулю. Якщо провести підсумовування за нескінченним числом осциляторів, то енергія вакууму вийде нескінченною.

Так і не знайшли відповідь на своє запитання?

Просто напиши з чим тобі потрібна допомога