Поляризация вакуума

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 $\delta t\approx \hbar /\delta E$, 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.

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.

Поляризация вакуума и квантовая хромодинамика

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

Поляризация вакуума и гравитация

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

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