Теория сверхтекучего вакуума - Superfluid vacuum theory

За пределами стандартной модели
CMS Higgs-event.jpg
Смоделированный Большой адронный коллайдер CMS данные детектора частиц, изображающие бозон Хиггса образуются сталкивающимися протонами, распадающимися на адронные струи и электроны
Стандартная модель
Теории

Теория сверхтекучего вакуума (SVT), иногда называемый Теория вакуума BEC, это подход в теоретическая физика и квантовая механика где фундаментальные физические вакуум (несъемный фон) рассматривается как сверхтекучий или как Конденсат Бозе – Эйнштейна (BEC).

Микроскопическая структура этого физического вакуума в настоящее время неизвестна и является предметом интенсивных исследований в SVT. Конечная цель этого подхода - разработать научные модели которые объединяют квантовую механику (описывая три из четырех известных фундаментальные взаимодействия ) с сила тяжести, что делает SVT кандидатом на теорию квантовая гравитация и описание всех известных взаимодействий во Вселенной, как в микроскопическом, так и в астрономическом масштабе, как различные проявления одного и того же объекта - сверхтекучего вакуума.

История

Концепция светоносный эфир как средство поддержки электромагнитные волны был отброшен после появления специальная теория относительности, поскольку наличие концепции наряду со специальной теорией относительности приводит к ряду противоречий; в частности, эфир, имеющий определенную скорость в каждой точке пространства-времени, будет показывать предпочтительное направление. Это противоречит релятивистскому требованию эквивалентности всех направлений внутри светового конуса, однако еще в 1951 году P.A.M. Дирак опубликовал две статьи, в которых указал, что следует учитывать квантовые флуктуации в потоке эфира.[1][2]Его аргументы включают применение принцип неопределенности со скоростью эфира в любой точке пространства-времени, подразумевая, что скорость не будет точно определенной величиной. Фактически, он будет распределен по различным возможным значениям. В лучшем случае можно было бы представить эфир волновой функцией, представляющей идеальный состояние вакуума для которого все скорости эфира равновероятны.

Вдохновленные идеями Дирака, К. П. Синха, К. Сиварам и Сударшан Э.С.Г. опубликовал в 1975 году серию статей, в которых была предложена новая модель эфира, согласно которой он представляет собой сверхтекучее состояние фермионных и антифермионных пар, описываемое макроскопическим волновая функция.[3][4][5]Они отметили, что малые частицы сверхтекучего фона подчиняются закону Симметрия Лоренца, даже если сама сверхтекучая жидкость нерелятивистская. Тем не менее, они решили рассматривать сверхтекучую жидкость как релятивистский материи - поместив ее в тензор энергии-импульса Уравнения поля Эйнштейна Это не позволило им описать релятивистская гравитация как небольшое колебание сверхтекучего вакуума, как отметили последующие авторы[нужна цитата ].

С тех пор в рамках SVT было предложено несколько теорий. Они различаются по структуре и свойствам фона. сверхтекучий В отсутствие данных наблюдений, которые бы исключили некоторые из них, эти теории разрабатываются независимо.

Отношение к другим концепциям и теориям

Лоренцевы и галилеевы симметрии

Согласно подходу, фоновая сверхтекучая жидкость предполагается существенно нерелятивистской, тогда как Симметрия Лоренца не точная симметрия природы, а скорее приблизительное описание, действительное только для небольших флуктуаций. наблюдатель, который находится внутри такого вакуума и способен создавать или измерять небольшие флуктуации, будет наблюдать их как релятивистский объекты - если только их энергия и импульс достаточно высоки, чтобы Лоренц-ломка исправления обнаруживаются.[6]Если энергии и импульсы ниже порога возбуждения, то сверхтекучий фон ведет себя как идеальная жидкость, Следовательно Майкельсон-Морли -типа эксперименты не наблюдали бы сила сопротивления из такого эфира.[1][2]

Далее, в теории относительности Галилеевская симметрия (имеет отношение к нашему макроскопический нерелятивистский мир) возникает как приближенный - когда скорости частиц малы по сравнению с скорость света В SVT не нужно проходить через симметрию Лоренца, чтобы получить галилееву - известно, что дисперсионные соотношения большинства нерелятивистских сверхтекучих жидкостей подчиняются нерелятивистскому поведению при больших импульсах.[7][8][9]

Подводя итог, флуктуации вакуумной сверхтекучей жидкости ведут себя как релятивистские объекты на "малых"[nb 1] импульсы (также известные как "фононный предел ")

и как нерелятивистские

При больших импульсах считается, что пока неизвестная нетривиальная физика находится где-то между этими двумя режимами.

Релятивистская квантовая теория поля

В релятивистском квантовая теория поля физический вакуум также считается своего рода нетривиальной средой, с которой можно связать определенная энергия Это потому, что концепция абсолютно пустого пространства (или «математического вакуума») противоречит постулатам квантовая механика Согласно QFT, даже в отсутствие реальных частиц фон всегда заполнен парами создающих и уничтожающих виртуальные частицы Однако прямая попытка описания такой среды приводит к так называемому ультрафиолетовые расхождения. В некоторых моделях QFT, таких как квантовая электродинамика, эти проблемы могут быть «решены» с помощью перенормировка методика, а именно, замена расходящихся физических величин их экспериментально измеренными значениями. квантовая общая теория относительности этот трюк не работает, и надежную теорию возмущений построить невозможно.

Согласно SVT, это связано с тем, что в высокоэнергетическом («ультрафиолетовом») режиме Симметрия Лоренца начинает терпеть неудачу, поэтому зависимые теории не могут считаться справедливыми для всех масштабов энергий и импульсов. Соответственно, в то время как лоренц-симметричные модели квантового поля, очевидно, являются хорошим приближением ниже энергетического порога вакуума, в его непосредственной близости релятивистское описание становится все более и более сложным. «эффективный» и все менее и менее естественный, так как нужно будет корректировать выражения для ковариантный теоретико-полевые действия от руки.

Искривленное пространство-время

В соответствии с общая теория относительности, гравитационное взаимодействие описывается в терминах пространство-время кривизна используя математический аппарат Риманова геометрия Это подтверждено многочисленными экспериментами и наблюдениями в режиме низких энергий. Однако попытки квантовать общую теорию относительности привели к различным серьезные проблемы, следовательно, микроскопическая структура гравитации все еще не определена. Возможно, этому есть фундаментальная причина - степени свободы общей теории относительности основаны на том, что может быть только приблизительным и эффективный. Вопрос о том, является ли общая теория относительности эффективной теорией, поднимался давно.[10]

Согласно СВТ, искривленное пространство-время возникает как малоамплитудное коллективное возбуждение режим нерелятивистского фонового конденсата.[6][11]Математическое описание этого аналогично аналогия гравитации жидкости который также используется в аналоговая гравитация модели.[12]Таким образом, релятивистская гравитация по сути является длинноволновой теорией коллективных мод, амплитуда которой мала по сравнению с фоновой. Вне этого требования описание гравитации в искривленном пространстве в терминах римановой геометрии становится неполным или неточным.

Космологическая постоянная

Понятие о космологическая постоянная имеет смысл только в релятивистской теории, поэтому в рамках SVT эта постоянная может относиться не более чем к энергии небольших флуктуаций вакуума выше фонового значения, но не к энергии самого вакуума.[13] Таким образом, в SVT эта константа не имеет фундаментального физического смысла, и связанные с ней проблемы, такие как вакуумная катастрофа, просто не возникают в первую очередь.

Гравитационные волны и гравитоны

В соответствии с общая теория относительности, обычные гравитационная волна является:

  1. небольшое колебание искривленного пространства-времени, которое
  2. был отделен от своего источника и распространяется независимо.

Теория сверхтекучего вакуума ставит под сомнение возможность существования в природе релятивистского объекта, обладающего обоими этими свойствами.[11]Действительно, согласно подходу, искривленное пространство-время само является малым коллективное возбуждение сверхтекучего фона, следовательно, свойство (1) означает, что гравитон на самом деле будет «небольшое колебание небольшого колебания», которое не похоже на физически устойчивую концепцию (как если бы кто-то попытался ввести небольшие колебания внутри фонон В результате может быть не просто совпадение, что в общей теории относительности одно только гравитационное поле не имеет четко определенного тензор энергии-импульса, только псевдотензор один.[14]Следовательно, свойство (2) не может быть полностью оправдано в теории с точным Симметрия Лоренца что и есть общая теория относительности. априори запретить существование нелокализованных волна -подобные возбуждения сверхтекучего фона, которые могут быть ответственны за астрофизические явления, происходящие в настоящее время. приписанный гравитационным волнам, таким как Бинарная система Халса – Тейлора. Однако такие возбуждения нельзя правильно описать в рамках полноценной релятивистский теория.

Генерация массы и бозон Хиггса

В бозон Хиггса - частица со спином 0, введенная в электрослабая теория придать массу слабые бозоны. Происхождение массы самого бозона Хиггса не объясняется электрослабой теорией. Вместо этого эта масса вводится как свободный параметр с помощью Потенциал Хиггса, что делает его еще одним свободным параметром Стандартная модель.[15] В рамках Стандартная модель (или его расширения) теоретические оценки значения этого параметра возможны только косвенно и результаты существенно отличаются друг от друга.[16] Таким образом, использование одного только бозона Хиггса (или любой другой элементарной частицы с заданной массой) не является наиболее фундаментальным решением проблемы. масса проблема поколения, а только ее переформулировка до бесконечности. Еще одна известная проблема Модель Глэшоу – Вайнберга – Салама - неправильный знак массового члена в (непрерывном) секторе Хиггса для энергий выше шкала нарушения симметрии.[nb 2]

Хотя SVT прямо не запрещает существование электрослабая частица Хиггса, он имеет собственное представление о механизме генерации фундаментальной массы - элементарные частицы приобретают массу за счет взаимодействия с вакуумным конденсатом, аналогично механизму образования щели в сверхпроводники или же сверхтекучие жидкости.[11][17]Хотя эта идея не совсем нова, можно вспомнить релятивистский Подход Коулмана-Вайнберга,[18]SVT придает смысл нарушающей симметрию релятивистской скалярное поле как описывающие небольшие флуктуации фоновой сверхтекучей жидкости, которые можно интерпретировать как элементарную частицу только при определенных условиях.[19] В общем, возможны два сценария:

  • Бозон Хиггса существует: в этом случае СВТ обеспечивает механизм генерации массы, который лежит в основе электрослабого бозона и объясняет происхождение массы самого бозона Хиггса;
  • Бозона Хиггса не существует: тогда слабые бозоны приобретают массу за счет прямого взаимодействия с вакуумным конденсатом.

Таким образом, бозон Хиггса, даже если он существует, был бы побочным продуктом фундаментального феномена генерации массы, а не его причиной.[19]

Кроме того, некоторые версии SVT поддерживают волновое уравнение на основе логарифмического потенциала а не на квартика один. У прежнего потенциала есть не только форма мексиканской шляпы, необходимая для спонтанное нарушение симметрии, но и некоторые Другие свойства что делает его более подходящим для описания вакуума.

Логарифмическая теория вакуума BEC

В этой модели предполагается, что физический вакуум сильно коррелирован. квантовая бозе-жидкость чье основное государство волновая функция описывается логарифмическое уравнение Шредингера. Было показано, что релятивистское гравитационное взаимодействие возникает как малоамплитудный коллективное возбуждение режим тогда как релятивистский элементарные частицы можно описать частицы, подобные режимам в пределе малых энергий и импульсов.[17]Существенное отличие этой теории от других состоит в том, что в логарифмической сверхтекучей жидкости максимальная скорость колебаний постоянна в ведущем (классическом) порядке. Это позволяет полностью восстановить постулаты относительности в «фононном» (линеаризованном) пределе.[11]

Предлагаемая теория имеет множество наблюдательных следствий. Они основаны на том факте, что при высоких энергиях и импульсах поведение частицоподобных мод в конечном итоге становится отличным от поведения мод. релятивистский один - они могут добраться до ограничение скорости света при конечной энергии.[20]Среди других прогнозируемых эффектов - сверхсветовой распространение и вакуум Черенковское излучение.[21]

Теория отстаивает механизм массового производства, который должен заменить или изменить электрослабый Хиггс Показано, что массы элементарных частиц могут возникать в результате взаимодействия со сверхтекучим вакуумом, аналогично механизму образования щели в сверхпроводники.[11][17] Например, фотон распространение в среднем межзвездный вакуум приобретает крошечную массу, которая оценивается примерно в 10−35 электронвольт. Можно также получить эффективный потенциал для сектора Хиггса, отличный от того, который используется в Модель Глэшоу – Вайнберга – Салама, но он дает генерацию массы и свободен от проблемы мнимой массы[nb 2] появляясь в обычный потенциал Хиггса.[19]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Термин «малый» относится здесь к линеаризованному пределу, на практике значения этих импульсов могут быть совсем не маленькими.
  2. ^ а б Если расширить Потенциал Хиггса тогда коэффициент при квадратичном члене оказывается равным отрицательный. Этот коэффициент имеет физический смысл квадрат массы скалярной частицы.

Рекомендации

  1. ^ а б Дирак, П.А.М. (24 ноября 1951 г.). «Есть эфир?». Письма к природе. Природа. 168 (4282): 906–907. Bibcode:1951Натура.168..906D. Дои:10.1038 / 168906a0.
  2. ^ а б Дирак, П.А.М. (26 апреля 1952 г.). «Есть эфир?». Природа. 169 (4304): 702. Bibcode:1952 г.Натура.169..702Д. Дои:10.1038 / 169702b0.
  3. ^ Sinha, K. P .; Sivaram, C .; Сударшан, Э.С.Г. (1976). «Эфир как сверхтекучее состояние пар частица-античастица». Основы физики. Springer Nature. 6 (1): 65–70. Дои:10.1007 / bf00708664. ISSN  0015-9018.
  4. ^ Sinha, K. P .; Sivaram, C .; Сударшан, Э.С.Г. (1976). «Состояние сверхтекучего вакуума, изменяющаяся во времени космологическая постоянная и несингулярные космологические модели». Основы физики. Springer Nature. 6 (6): 717–726. Дои:10.1007 / bf00708950. ISSN  0015-9018.
  5. ^ Sinha, K. P .; Сударшан, Э. К. Г. (1978). «Сверхтекучая жидкость как источник всех взаимодействий». Основы физики. Springer Nature. 8 (11–12): 823–831. Дои:10.1007 / bf00715056. ISSN  0015-9018.
  6. ^ а б Воловик Г.Е., Вселенная в капле гелия, Int. Сер. Monogr. Phys. 117 (2003) 1-507.
  7. ^ Боголюбов Н. Н., Изв. Акад. АН СССР 11, 77 (1947).
  8. ^ Н.Н. Боголюбов, J. Phys. 11, 23 (1947)
  9. ^ Гинзбург В.Л., Ландау Л.Д. // Журн. Эксп. Теор. Физ. 20, 1064 (1950).
  10. ^ Сахаров А.Д., Сов. Phys. Докл. 12, 1040 (1968). Эта статья была переиздана в Gen. Rel. Грав. 32, 365 (2000) и прокомментировано в: M. Visser, Mod. Phys. Lett. А 17, 977 (2002).
  11. ^ а б c d е Злощастиев, К. (2011). «Спонтанное нарушение симметрии и генерация массы как встроенные явления в логарифмической нелинейной квантовой теории». Acta Physica Полоника B. Ягеллонский университет. 42 (2): 261-292. arXiv:0912.4139. Дои:10.5506 / aphyspolb.42.261. ISSN  0587-4254.
  12. ^ М. Новелло, М. Виссер, Г. Воловик, Искусственные черные дыры, World Scientific, River Edge, США, 2002 г., стр. 391.
  13. ^ ВОЛОВИК, Г. Э. (2006). «ВАКУУМНАЯ ЭНЕРГИЯ: МИФЫ И РЕАЛЬНОСТЬ». Международный журнал современной физики D. World Scientific Pub Co Pte Lt. 15 (12): 1987–2010. arXiv:gr-qc / 0604062. Дои:10.1142 / s0218271806009431. ISSN  0218-2718.
  14. ^ Л.Д. Ландау, Э.М.Лифшиц, Классическая теория поля, (1951), Pergamon Press, глава 11.96.
  15. ^ Бедняков, В. А .; Giokaris, N.D .; Бедняков, А.В. (2008). «О механизме генерации массы Хиггса в Стандартной модели». Физика частиц и ядер. Pleiades Publishing Ltd. 39 (1): 13–36. arXiv:hep-ph / 0703280. Дои:10.1134 / s1063779608010024. ISSN  1063-7796.
  16. ^ Шремпп, В; Виммер, М. (1996). «Массы топ-кварка и бозона Хиггса: взаимодействие инфракрасной и ультрафиолетовой физики». Прогресс в физике элементарных частиц и ядерной физике. Elsevier BV. 37: 1–90. arXiv:hep-ph / 9606386. Дои:10.1016/0146-6410(96)00059-2. ISSN  0146-6410.
  17. ^ а б c Авдеенков, Александр V; Злощастиев Константин Г (13 сентября 2011 г.). «Квантовые бозе-жидкости с логарифмической нелинейностью: самоподдерживаемость и возникновение пространственной протяженности». Журнал физики B: атомная, молекулярная и оптическая физика. IOP Publishing. 44 (19): 195303. arXiv:1108.0847. Дои:10.1088/0953-4075/44/19/195303. ISSN  0953-4075.
  18. ^ Коулман, Сидней; Вайнберг, Эрик (15 марта 1973 г.). «Радиационные поправки как причина спонтанного нарушения симметрии». Физический обзор D. Американское физическое общество (APS). 7 (6): 1888–1910. arXiv:hep-th / 0507214. Дои:10.1103 / Physrevd.7.1888. ISSN  0556-2821.
  19. ^ а б c В. Джунушалиев, К.Г. Злощастиев (2013). «Модель электрического заряда в физическом вакууме без сингулярностей: ненулевой пространственный размер и генерация массы». Cent. Евро. J. Phys. 11 (3): 325–335. arXiv:1204.6380. Bibcode:2013CEJPh..11..325D. Дои:10.2478 / s11534-012-0159-z.
  20. ^ Злощастиев, К. Г. (2010). «Логарифмическая нелинейность в теориях квантовой гравитации: происхождение времени и наблюдательные последствия». Гравитация и космология. Pleiades Publishing Ltd. 16 (4): 288–297. arXiv:0906.4282. Дои:10.1134 / s0202289310040067. ISSN  0202-2893.
  21. ^ Злощастиев, Константин Г. (2011). «Вакуумный эффект Черенкова в логарифмической нелинейной квантовой теории». Письма о физике A. Elsevier BV. 375 (24): 2305–2308. arXiv:1003.0657. Дои:10.1016 / j.physleta.2011.05.012. ISSN  0375-9601.