نمایش مبدأ برای حالت خلأ

{{نظریه میدان کوانتومی}}
در [[نظریه میدان کوانتومی]]، '''حالت خلأ'''، [[حالت کوانتومی]] با کمترین [[انرژی]] ممکن است. به‌طور عمومی دربرگیرنده هیچ ذره‌ای نیست. گاهی از اصطلاح '''میدان نقطه صفر''' بعنوان هم‌معنی برای حالت خلأ یک میدان کوانتیزه‌شده یکتا استفاده می‌شود.

طبق درکی که امروزه از آنچه حالت خلأ یا خلأ کوانتومی نامیده می‌شود، به دست آورده‌ایم، به‌هیچ عنوان نمی‌توان آن را به‌سادگی، فضای خالی دانست<ref name=Lambrecht>
{{cite book
|author=Astrid Lambrecht (Hartmut Figger, Dieter Meschede, Claus Zimmermann Eds.)
|title=Observing mechanical dissipation in the quantum vacuum: an experimental challenge; in''' Laser physics at the limits'''
|page=197
|publisher= Springer
|location=Berlin/New York
|year=2002
|isbn=3-540-42418-0
|url=http://books.google.com/?id=0DUjDAPwcqoC&pg=PA197&dq="vacuum+state"}}
</ref> و این اشتباهست که تصور شود، خلاء فیزیکی، یک پوچی مطلقاً خالی است.<ref name=Ray>
{{cite book
|author=Christopher Ray
|title=Time, space and philosophy
|page=Chapter 10, p. 205
|publisher= Routledge
|location=London/New York
|year=1991
|isbn=0-415-03221-0
|url=http://books.google.com/?id=1F7xWULz0P0C&pg=RA1-PA205&dq="vacuum+state"
|nopp=true}}
</ref> بنا بر [[مکانیک کوانتومی]]، حالت خلأ نه تنها واقعاً خالی نیست، بلکه شامل امواج الکترومغناطیسی و ذرات گذراست که مرتباً به وجود می‌آیند و از بین می‌روند.<ref>{{یادکرد وب |نشانی=http://www.aip.org/pnu/1996/split/pnu300-3.htm |عنوان=AIP Physics News Update,1996 |بازبینی=۲۰ اكتبر ۲۰۱۵ |archive-date=۲۹ ژانویه ۲۰۰۸ |archive-url=https://web.archive.org/web/20080129093425/http://www.aip.org/pnu/1996/split/pnu300-3.htm |dead-url=yes }}</ref><ref>[http://focus.aps.org/story/v2/st28 Physical Review Focus Dec. 1998]</ref><ref name=Dittrich>
{{cite book
|author=Walter Dittrich & Gies H
|title=Probing the quantum vacuum: perturbative effective action approach
|publisher= Springer
|location=Berlin
|year=2000
|isbn=3-540-67428-4
|url=http://books.google.com/?id=DyhyFSL7bNUC&pg=PP1&dq=intitle:Probing+intitle:the+intitle:Quantum+intitle:Vacuum}}
</ref>

خلاء الکترودینامیکی (خلاء QED) مربوط به[[الکترودینامیک کوانتومی]] (QED) نخستین خلاء نظریه میدان کوانتومی بود که مطرح شد. QED در دهه ۱۹۳۰ به وجود آمد و در اوخر دهه ۱۹۴۰ و اوایل دهه ۱۹۵۰، توسط [[فاینمن]]، [[سین‌ایترو تومونوجا|توموناگا]] و [[جولیان شوینگر|شوینگر]] که مشترکاً[[جایزه نوبل فیزیک]] سال ۱۹۶۵ را دریافت نمودند، مجدداً فرمول‌بندی شد.<ref name=history>

For an historical discussion, see for example {{cite book |title=Historical Encyclopedia of Natural and Mathematical Sciences, Volume 1 |editor=Ari Ben-Menaḥem |url=http://books.google.com/books?id=9tUrarQYhKMC&pg=PA4892 |chapter=Quantum electrodynamics (QED) |pages=4892 ''ff'' |isbn=3-540-68831-5 |year=2009 |publisher=Springer |edition=5th}} For the Nobel prize details and the Nobel lectures by these authors see {{cite web |title=The Nobel Prize in Physics 1965 |url=http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1965/ |publisher=Nobelprize.org |accessdate=2012-02-06}}

</ref> امروزه برهم‌کنش‌های [[الکترومغناطیس]] و برهم‌کنش‌های[[نیروی هسته‌ای ضعیف|هسته‌ای ضعیف]] در قالب نظریه [[برهم‌کنش الکتروضعیف]] یکپارچه شده‌اند.

[[مدل استاندارد]] تعمیم کار انجام‌شده در الکترودینامیک کوانتومی برای دربرگرفتن همه[[ذرات بنیادی]] شناخته‌شده و برهم‌کنش‌های آنهاست (به جز [[گرانش]]). [[کرومودینامیک کوانتومی]] (QCD)، آن بخش از مدل استاندارد است که با [[نیروی هسته‌ای قوی|برهم‌کنش‌های قوی]] سروکار دارد و خلاء QCD، خلاء [[کرومودینامیک کوانتومی]] است که موضوع مورد مطالعه در [[برخورددهنده بزرگ هادرونی]] و [[برخورددهنده یون‌های سنگین نسبیتی|برخورددهنده یون سنگین نسبیتی]] است و با آنچه ''ساختار خلاء'' برهم‌کنش‌های قوی نامیده می‌شود، مرتبط است.<ref name= Letessier>{{cite book |title=Hadrons and Quark-Gluon Plasma |author=Jean Letessier, Johann Rafelski |page=37 ''ff'' |url=http://books.google.com/?id=vSnFPyQaSTsC&pg=PR11&vq=Qgp+state&dq=weinberg+"symmetry+" |isbn=0-521-38536-9 |year=2002 |publisher=Cambridge University Press}}</ref>

== مقدار چشم‌داشتی غیر صفر ==
[[پرونده:Vacuum fluctuations revealed through spontaneous parametric down-conversion.ogv|چپ|بندانگشتی|350x350px|ویدیوی یک آزمایش که [[نوسان کوانتومی|نوسانات کوانتومی]] خلاء را نمایش می‌دهد(در حلقه قرمز) که توسط پایین-تبدیل پارامتری خودبخودی تقویت می‌شود.]]
اگر بتوان نظریه میدان کوانتومی را با دقت از طریق[[نظریه اختلال]] توصیف نمود، ویژگی‌های خلاء مشابه ویژگی‌های [[حالت پایه]] یک [[نوسانگر هماهنگ]] مکانیک کوانتومی (یا به عبارت دقیق‌تر، حالت پایه یک مسئله مکانیک کوانتومی) است. در این مورد مقدار چشم‌داشتی خلاء (VEV) هر عملگر میدانی، صفر می‌شود. برای نظریه‌های میدان کوانتومی که در آن‌ها نظریه اختلال در انرژی‌های پایین با شکست روبه‌رو می‌شود، (مثلاً [[کرومودینامیک کوانتومی]] یا [[نظریه بی‌سی‌اس]] [[ابررسانایی]]) عملگرهای میدان می‌توانند مقادیر چشم‌داشتی غیر صفر داشته باشند که به آن چگال می‌گویند. در مدل استاندارد، مقدار چشم‌داشتی غیر صفر [[بوزون هیگز|میدان هیگز]]، که از [[خود به خود شکستن تقارن|شکست خودبخودی تقارن]] ناشی می‌شود، ساز و کاری است که توسط آن سایر میدان‌های این نظریه، جرم به دست می‌آورند.

== انرژی ==
در بسیاری از موقعیت‌ها می‌توان حالت خلاء را طوری تعریف کرد که انرژی آن صفر باشد، اگرچه که در واقعیت، موضوع بسیار ریزبینانه‌تر است. حالت خلاء با یک [[انرژی نقطه صفر]] مرتبط است و این [[انرژی نقطه صفر]] آثاری قابل اندازه‌گیری دارد. در آزمایشگاه‌ها به صورت[[اثر کاسیمیر]] قابل آشکارسازی است. در [[کیهان‌شناسی فیزیکی]]، انرژی خلاء کیهان‌شناختی به شکل [[ثابت کیهانی]] خود را نشان می‌دهد. در واقع انرژی یک سانتیمتر مکعب فضای خالی، به شکل تلویحی، یک تریلیونیم [[ارگ (یکا)|ارگ]] (یا ۰.۶ [[الکترون‌ولت]]) اندازه‌گیری شده‌است.<ref>Sean Carroll, Sr Research Associate - Physics, [[مؤسسه فناوری کالیفرنیا]], June 22, 2006 [[سی-سپن]] broadcast of Cosmology at Yearly Kos Science Panel, Part 1</ref> یکی از ضروریات مهم تحمیل شده بر نظریه‌ای که پتانسیل [[نظریه همه‌چیز]] بودن را داشته باشد، این است که انرژی حالت خلاء کوانتومی باید بتواند ثابت کیهانی مشاهده‌شده را توضیح دهد.

== تقارن ==
در یک نظریه میدان نسبیتی، خلاء یک [[گروه پوانکاره|ناوردای پوانکاره]] است که از اصول موضع وایتمن پیروی می‌کند اما بدون این اصول نیز مستقیماً قابل اثبات است.<ref name=proof-vac>{{cite journal|last=Bednorz|first=Adam|title=Relativistic invariance of the vacuum|journal=The European Physical Journal C|date=November 2013|volume=73|issue=12|pages=2654|doi=10.1140/epjc/s10052-013-2654-9|url=http://link.springer.com/article/10.1140/epjc/s10052-013-2654-9|accessdate=26 November 2013|arxiv = 1209.0209 |bibcode = 2013EPJC...73.2654B}}</ref> ناوردایی پوانکاره‌ای ایجاب می‌کند که تنها ترکیبات نرده‌ای عملگرهای میدان می‌توانند مقدار چشم‌داشتی خلاء غیر صفر داشته باشند. مقدار چشم‌داشتی غیرصفر خلاء می‌تواند برخی تقارن‌های درونی لاگرانژین نظریه میدان را بشکند. در این موردخلاء تقارن کمتری از آنچه نظریه اجازه می‌دهد، خواهد داشت و می‌توان گفت که [[خود به خود شکستن تقارن|شکست خودبه‌خودی تقارن]] رخ داده‌است. رجوع کنید به [[سازوکار هیگز]] و[[مدل استاندارد]]

== گذردهی الکتریکی ==
اصلاحات کوانتومی در [[معادلات ماکسول]] می‌توانند باعث شوند که گذردهی الکتریکی تجربی ε  حالت خلاء با مقدار نرده‌ای ε<sub>0</sub> [[ثابت گذردهی خلأ]] اختلاف پیدا کند.<ref name=Delphenich>{{cite arXiv|title=Nonlinear Electrodynamics and QED |author=David Delphenich |date=2006 |eprint=hep-th/0610088}}</ref> به‌طور ویژه نظریه الکترودینامیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کند که خلاء QED باید آثار غیرخطی از خود نمایش دهد که باعث می‌شوند مانند یک ماده شکست مضاعف رفتار کند که ε آن برای [[میدان الکتریکی|میدان‌های الکتریکی]] بسیار بزرگ، کمی بزرگتر از ε<sub>0</sub> است<ref>Klein, James J. and B. P. Nigam, [http://prola.aps.org/abstract/PR/v135/i5B/pB1279_1 ''Birefringence of the vacuum''], ''Physical Review'' vol. '''135''', p. B1279-B1280 (1964).</ref><ref name=Mourou>Mourou, G. A., T. Tajima, and S. V. Bulanov, [http://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.78.309 ''Optics in the relativistic regime''; § XI ''Nonlinear QED''], ''Reviews of Modern Physics'' vol. '''78''' (no. 2), 309-371 (2006) [http://acc-physics.kek.jp/sokensympo/frontier_accelerator/FACW1-PROC/FACW1-23.1.pdf pdf file] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20031016135019/http://acc-physics.kek.jp/sokensympo/frontier_accelerator/FACW1-PROC/FACW1-23.1.pdf |date=۱۶ اکتبر ۲۰۰۳ }}.</ref> توضیحاتی پدیده دورنگی در فیزیک ذرات، خارج از الکترودینامیک کوانتومی هم پیشنهاد شده‌اند<ref>{{cite journal |author1=Holger Gies |author2=Joerg Jaeckel |author3=Andreas Ringwald |doi=10.1103/PhysRevLett.97.140402 |year=2006 |title=Polarized Light Propagating in a Magnetic Field as a Probe of Millicharged Fermions |issue=14 |volume=97 |journal=Physical Review Letters |arxiv=hep-ph/0607118|bibcode = 2006PhRvL..97n0402G}}</ref> تلاش‌های در جریان برای اندازه‌گیری چنین آثاری تا کنون بی‌نتیجه مانده است<ref>{{cite arXiv |eprint=0704.0748 |author1=Davis |author2=Joseph Harris |author3=Gammon |author4=Smolyaninov |author5=Kyuman Cho |title=Experimental Challenges Involved in Searches for Axion-Like Particles and Nonlinear Quantum Electrodynamic Effects by Sensitive Optical Techniques |class=hep-th |year=2007}}</ref>

== نمادگذاری ==
حالت خلاء به شکل  <math>|0\rangle</math> یا  <math>|\rangle</math> نمایش داده می‌شود. مقدار چشم‌داشتی خلاء ( همچنین ببینید : [[مقدار چشم‌داشتی]]) هر میدان φ را باید به صورت <math>\langle0|\phi|0\rangle</math> نوشت اما معمولاً به شکل <math>\langle\phi\rangle</math> خلاصه می‌شود.

== ذرات مجازی ==
وجود [[ذره مجازی|ذرات مجازی]] را می‌توان به شکلی مستحکم، برپایه ناجابه‌جایی میدان‌های الکترومغناطیسی کوانتیزه شده، استوار نمود. ناجابه‌جایی بدین معناست که اگرچه مقادیر میانگین میدان‌ها در یک خلاء کوانتومی صفر می‌شوند، واریانس‌های آن‌ها صفر نمی‌شود.<ref name=commutator>
{{cite book |title=Modern nonlinear optics, Volume 85, Part 3 |url=http://books.google.com/books?id=25LX8F2ybCsC&pg=PA462 |page=462 |quote=For all field states that have classical analog the field quadrature variances are also greater than or equal to this commutator. |isbn=0-471-57548-8 |publisher=John Wiley & Sons |year=1994 |author=Myron Wyn Evans, Stanisław Kielich}}
</ref> اصطلاح «نوسانات خلاء» به [[واریانس]] قدرت میدان در حالت انرژی مینیمال اشاره می‌کند<ref name=Klyshko>
{{cite book |title=Photons and nonlinear optics |author=David Nikolaevich Klyshko |url=http://books.google.com/books?id=IPfwdhR4TaYC&pg=PA126 |page=126 |isbn=2-88124-669-9|year=1988 |publisher=Taylor & Francis}}
</ref> و به روشنی به عنوان مدرکی بر وجود «[[ذرات مجازی]]» توصیف می‌شود.<ref name=Munitz>
{{cite book
|title=Cosmic Understanding: Philosophy and Science of the Universe
|url=http://books.google.com/books?id=HkOg14hXqi8C&pg=PA132.&#v=onepage&q&f=false
|quote=The spontaneous, temporary emergence of particles from vacuum is called a "vacuum fluctuation".
|page=132
|isbn=0-691-02059-0
|author=Milton K. Munitz
|publisher=Princeton University Press
|year=1990}}
</ref>

تلاشهایی بدین منظور انجام شده‌اند که تصویری شهودی از ذرات مجازی با استفاده از [[اصل عدم قطعیت|اصل عدم قطعیت انرژی-زمان]] هایزنبرگ ارائه داده شود:
::<math>\Delta E \Delta t \ge \hbar \ , </math>
(که ''ΔE ''و  ''Δt ''به ترتیب تغییرات انرژی و زمان هستند؛ ''ΔE ''دقت در اندازه‌گیری انرژی است و ''Δt ''مدت زمان اندازه‌گیری و {{math|''ħ''}} [[ثابت پلانک]] تقسیم بر {{math|2''π''}} می‌باشد) و در ادامه اینگونه استدلال می‌شود که [[طول عمر]] کوتاه ذرات مجازی اجازه «قرض گرفتن» میزان زیادی انرژی از خلاء را می‌دهد و بدین ترتیب امکان پیدایش ذره برای مدت زمان‌ها کوتاه را فراهم می‌سازد.<ref name=Davies>
For an example, see {{cite book |title=The accidental universe |author=P. C. W. Davies |url=http://books.google.com/books?id=s2s4AAAAIAAJ&pg=PA106 |pages=106 |isbn=0-521-28692-1 |year=1982 |publisher=Cambridge University Press}}
</ref><!-- تکمیل یادکرد توسط ربات از ویکی انگلیسی -->

اگرچه پدیده ذرات مجازی مورد پذیرش قرار گرفته‌است، این تفسیر از رابطه عدم قطعیت انرژی-زمان جهانشمول نیست.<ref name=Allday>
A vaguer description is provided by {{cite book |title=Quarks, leptons and the big bang |author=Jonathan Allday |url=http://books.google.com/books?id=kgsBbv3-9xwC&pg=PA224 |pages=224 ''ff'' |quote=The interaction will last for a certain duration ''Δt''. This implies that the amplitude for the total energy involved in the interaction is spread over a range of energies ''ΔE''. |isbn=0-7503-0806-0 |edition=2nd |publisher=CRC Press |year=2002}}
</ref><!-- تکمیل یادکرد توسط ربات از ویکی انگلیسی --><ref name=King>
This "borrowing" idea has led to proposals for using the zero-point energy of vacuum as an infinite reservoir and a variety of "camps" about this interpretation. See, for example, {{cite book |title=Quest for zero point energy: engineering principles for 'free energy' inventions |author=Moray B. King |url=http://books.google.com/books?id=0RmkmrFxHM0C&pg=PA124 |pages=124 ''ff'' |isbn=0-932813-94-1 |year=2001 |publisher=Adventures Unlimited Press}}
</ref><!-- تکمیل یادکرد توسط ربات از ویکی انگلیسی --> یکی از مشکلات آن در اینجاست که از یک رابطه عدم قطعیت که دقت اندازه‌گیری را محدود می‌کند، طوری استفاده شده که گویا یک عدم قطعیت زمانی ''Δt''، بودجه‌ای را برای قرض گرفتن انرژی ''Δ''E تعیین می‌کند. مشکل دیگر معنی زمان در این رابطه است، زیرا انرژی و زمان (برخلاف موقعیت {{math|''q''}} و تکانه {{math|''p''}}) در یک رابطه جابجایی متعارف (مانند {{math|[''q'', ''p''] {{=}} i&thinsp;''ħ''}}) صدق نمی‌کنند.<ref name=commutation>
Quantities satisfying a canonical commutation rule are said to be noncompatible observables, by which is meant that they can both be measured simultaneously only with limited precision. See {{cite book |title=Encyclopedic dictionary of mathematics |author=Kiyosi Itô |url=http://books.google.com/books?id=azS2ktxrz3EC&pg=PA1303 |pages=1303 |chapter=§ 351 (XX.23) C: Canonical commutation relations |isbn=0-262-59020-4 |year=1993 |edition=2nd |publisher=MIT Press}}
</ref><!-- تکمیل یادکرد توسط ربات از ویکی انگلیسی -->

== جستارهای وابسته ==
{{چندستونه}}
* [[جفت‌سازی]]
* [[انرژی خلاء]]
* [[قطبش خلاء]]
* [[ذره مجازی]]
* [[خلأ]]
* [[نوسان کوانتومی]]
* [[اثر کاسیمیر]]
* [[خلأ]]
* [[نیروی واندروالسی]]
{{پایان چندستونه}}

== منابع ==
{{پانویس|۲|چپ‌چین=بله}}

== برای مطالعه بیشتر ==
{{چپ‌چین}}
{{آغاز منابع}}
* Free pdf copy of [http://www.physics.arizona.edu/~rafelski/Books/StructVacuumE.pdf The Structured Vacuum - thinking about nothing] by [[Johann Rafelski]] and Berndt Muller (1985) {{ISBN|3-87144-889-3|en}}.
* M.E. Peskin and D.V. Schroeder, ''An introduction to Quantum Field Theory''.
* H. Genz, '' Nothingness: The Science of Empty Space''
* {{cite arXiv |eprint=astro-ph/0107316|last1= Puthoff|first1= H. E.|title= Engineering the Zero-Point Field and Polarizable Vacuum for Interstellar Flight|last2= Little|first2= S. R.|last3= Ibison|first3= M.|year= 2001}}
* E. W. Davis, V. L. Teofilo, B. Haisch, H. E. Puthoff, L. J. Nickisch, A. Rueda and D. C. Cole(2006)"[http://www.calphysics.org/articles/Davis_STAIF06.pdf Review of Experimental Concepts for Studying the Quantum Vacuum Field]"
{{پایان منابع}}
{{پایان چپ‌چین}}

== پیوند به بیرون ==
* [https://web.archive.org/web/19980224172207/http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/ask_astro/answers/970724a.html انرژی به ماده]

{{موضوعات مکانیک کوانتومی}}

[[رده:خلأ]]
[[رده:مقاله‌های دارای ویدئو]]
[[رده:نظریه میدان کوانتومی]]
[[رده:حالت‌های کوانتومی]]