Представление о физическом вакууме в квантовой теории. Виртуальные частицы. Перспективы развития науки о микромире

Ва́куум (от лат. vacuum — пустота) — среда, содержащая газ при давлениях значительно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа λ и характерным размером среды d. Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий (λ/d 1), средний (λ/d~1) и высокий (λ/d 1) вакуум.

Следует различать понятия физического вакуума и технического вакуума.

Под физическим вакуумом в современной физике понимают полностью лишённое вещества пространство. Даже если бы удалось получить это состояние на практике, оно не было бы абсолютной пустотой. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами, но не только, а также в теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии, и т. д.

Некоторые из этих предсказаний теории поля уже были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира^[1] и лэмбовский сдвиг атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями электромагнитного поля в физическом вакууме. На некоторых других представлениях о вакууме базируются современные физические теории. Например, существование нескольких вакуумных состояний (так называемых ложных вакуумов) является одной из главных основ инфляционной теории Большого взрыва.

Виртуальная частица — некоторый абстрактный объект в квантовой теории поля, обладающий квантовыми числами одной из реальных элементарных частиц (с массой m), для которого, однако, не выполняется обычная связь между энергией и импульсом (то есть ). Виртуальные частицы не могут «улететь на бесконечность»; они рождаются и обязаны либо поглотиться какой-либо частицей, либо распасться. Можно сказать, что виртуальные частицы — это и есть то, как происходитвзаимодействие.

Виртуальность частицы характеризуется релятивистски-инвариантной величиной Q² = E² - p²c² - m²c⁴, причём Q² может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Область значений E и p, при которых виртуальность равна нулю, называется массовой поверхностью или массовой оболочкой частицы.

Хотя масса и энергия виртуальных частиц не ограничены, их существование не нарушает закон сохранения энергии, поскольку время существования виртуальных частиц ограничено принципом неопределённости:

,

то есть чем больше энергия E виртуальной частицы, тем меньшее время t она может существовать. Поэтому в природе могут существовать такие поля, как поле Хиггса и полеслабого взаимодействия, хотя их частицы очень массивны. Однако, радиус действия массивных полей ограничен. Напротив, у безмассовых полей, таких как электромагнитноеи гравитационное, время существования виртуальных частиц, а следовательно, и радиус действия, не ограничены.

Микромир - мир микроскопических частиц, для кот характерны пре­имущественно квантовые свойства. Поведение и свойства физиче­ских тел, состоящих из микрочастиц и составляющих макромир, описываются классической физикой.