Вакуум в физике представляет пространство, которое свободно от вещества. В прикладной физике и технике под вакуумом понимается определенная среда, состоящая из газа, при этом давление будет значительно ниже атмосферного. Вакуум характеризует соотношение длины свободного пробега молекул газа к характерному размеру среды.
Характеристика физического вакуума
В квантовой физике под физическим вакуумом понимается низшее (главное) энергетическое состояние у квантованного поля, которое обладает нулевыми:
- импульсом;
- моментом импульса и др. квантовыми числами.
Такое состояние не обязательно будет соответствовать пустоте. Так, поле в низшем состоянии может быть полем квазичастиц в ядре атома с очень высокой плотностью или в твердом теле.
Физическим вакуумом называется также полностью лишённое вещества пространство, которое заполнено полем в таком состоянии.
Подобное состояние не представляет абсолютную пустоту. Согласно утверждению квантовой теории поля и принципу неопределенности, в физическом вакууме происходит процесс постоянного зарождения и исчезновения виртуальных частиц (нулевые колебания полей). Вакуум в некоторых теориях поля может иметь нетривиальные топологические свойства.
В теории возможно существование нескольких различных видов вакуумов, которые отличны друг от друга по плотности энергии или другим физическим параметрам. При спонтанном нарушении симметрии вырождение вакуума приводит к непрерывному спектру вакуумных состояний, отличных друг от друга числом голдстоуновских бозонов.
Локальные энергетические минимумы при разных значениях отдельного поля, которые отличны по энергии от глобального минимума, называются ложными вакуумами. Подобные состояния метастабильны и стремятся к распаду при выделении энергии. При этом осуществляется переход в один из нижележащих вакуумов или в истинный вакуум.
Некоторые из предсказаний теории поля успешно подтверждены экспериментально. Так, эффект Казимира объясняют нулевые колебания в физическом вакууме электромагнитного поля.
Современные физические теории базируются на некоторых других представлениях о вакууме. Наличие нескольких вакуумных состояний (ложных вакуумов) представляет одну из важных основ теории Большого взрыва.
Эффект Казимира
Эффект Казимира заключается во взаимных притяжениях проводящих незаряженных тел под воздействием в вакууме квантовых флуктуаций. Зачастую подразумеваются две параллельные незаряженные зеркальные поверхности, размещенные на близком расстоянии, но эффект Казимира возможен и в случае более сложных геометрий.
Причина эффекта Казимира заключается в энергетических колебаниях физического вакуума из-за постоянного зарождения и исчезновения виртуальных частиц в нем. Эффект предсказал в 1948 г. голландский физик Х. Казимир, позднее он получил экспериментальное подтверждение.
Физический вакуум, согласно квантовой теории поля, не является абсолютной пустотой. В нем постоянно зарождаются и исчезают античастицы и пары виртуальных частиц, производятся флуктуации (постоянные колебания) связанных с данными частицами полей. В частности, осуществляются колебания электромагнитного поля, связанного с фотонами.
В вакууме зарождаются и исчезают виртуальные фотоны, которые соответствуют всем длинам волн в электромагнитном спектре. В то же время, ситуация меняется в пространстве между близко расположенными друг к другу зеркальными поверхностями.
Сила притяжения, оказывающая воздействие на единицу площади для двух идеальных зеркальных поверхностей, параллельных друг другу и находящихся в абсолютном вакууме, составит:
Рисунок 1. Сила притяжения. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Здесь:
- $h$ - это приведённая постоянная Планка;
- $c$- представляет скорость света в вакууме;
- $d$ -это расстояние между поверхностями.
Эффект Шарнхорста
Эффект Шарнхорста представляет собой гипотетический опыт, световой сигнал в котором способен распространяться быстрее скорости света между двумя близко расположенными друг к другу пластинами. Данное явление предсказал немецкий физик К. Шарнхорст и Г. Сассекс. Шарнхорсту удалось вывести эффект на основании математического анализа электродинамики квантов.
Соответственно принципу неопределенности Гейзенберга, пустое пространство, которое считается полным вакуумом, в действительности заполнено вакуумными флуктуациями (виртуальными субатомными частицами). При движении фотона в вакууме, происходит его непосредственное взаимодействие с данными виртуальными частицами. При поглощении становится возможным зарождение пары позитрон-электрон.
Такая пара будет нестабильной и быстро аннигилировать с испусканием фотона, аналогичного поглощенному. Время существования энергии фотона в качестве пары позитрон-электрон существенно снижает наблюдаемую скорость фотонов в вакууме. Это объясняется превращением фотонов в частицы с досветовой скоростью. На основании такого вывода появилось предположение об увеличении скорости фотона в момент движения между пластинами Казимира.
По причине ограниченности пространства между пластинами, некоторые из существующих в вакууме виртуальных частиц будут иметь такие длины волн, которые превышают расстояние между пластинами. В связи с этим, плотность виртуальных частиц между пластинами окажется меньше плотности таких частиц снаружи.
Фотон, движущийся между пластинами, будет расходовать меньше времени на процесс взаимодействия с виртуальными частицами, понижающими его скорость. Конечный результат этого будет сопровождаться увеличением скорости фотона. Чем ближе будут размещаться пластины, тем выше окажется скорость света.
Предсказанный эффект при этом будет минимальным. Проходящий между двумя расположенными на расстоянии 1 мкм пластинами фотон увеличит скорость. Такое изменение скорости слишком незначительно для обнаружения существующими приборами.
