Κβαντικόν Κενόν
Ανάδυση
Κενό
- Το γνωστό φυσικό κενό όπως διαμορφώνεται όμως από τις θεωρίες της Κβαντικής Φυσικής και Κοσμολογίας.
Ετυμολογία[]
Η ονομασία "κβαντικό" σχετίζεται ετυμολογικά με την λέξη "κβάντο".
Εισαγωγή[]
Το Κβαντικό Κενό έχει μια πολύ σύνθετη δομή.
Έχει, σχεδόν, όλες τις ιδιότητες που μπορεί να έχει ένα σωματίδιο δηλ. ιδιοστροφορμή (spin), ή πόλωση στην περίπτωση του φωτός, ενέργεια, και λοιπά. Κατά μέσον όρο, όλες αυτές οι ιδιότητες εξουδετερώνονται. Το κενό είναι τελικά, "άδειο" από αυτή την άποψη. Μια σημαντική εξαίρεση είναι η ενέργεια του κενού.
Θεωρητική Ανάλυση[]
Στην στην Κβαντική Πεδιακή Θεωρία, το κενό ορίζεται ως η κατάσταση εκείνη (δηλ. η λύση των εξισώσεων της θεωρίας) που κατέχει την ελάχιστη δυνατή ενέργεια (αλλιώς, την χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη). Σε πρώτη προσέγγιση, αυτό σημαίνει απλώς μια κατάσταση χωρίς σωματίδια, εξ ου και το όνομα.
Ακόμη και το ιδεατό κενό, νοούμενο ως πλήρης απουσία οποιουδήποτε ύλης, στην πράξη δεν θα παραμείνει άδειο. Ως παράδειγμα, ας θεωρήσουμε έναν θάλαμο που έχει εκκενωθεί εντελώς, ώστε η συγκέντρωση (κλασσικών) υλικών σωματιδίων να είναι μηδενική. Τα τοιχώματα του θαλάμου θα εκπέμψουν Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία υπό την μορφή Ακτινοβολίας Μέλανος Σώματος. Η ακτινοβολία αυτή χαρακτηρίζεται από ορμή και ενέργεια, οπότε το κενό αυτό έχει ενεργειακό περιεχόμενο και τα τοιχώματα δέχονται πίεση ακτινοβολίας. Το ίδιο αληθεύει ακόμη και για το κενό του Διαστρικού Χώρου. Ακόμη και αν μια περιοχή του Χώρου δεν περιέχει σωματίδια, η Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου διαπερνά ολόκληρο το Σύμπαν.
Υπό την κλασσική έννοια του εντελώς "άδειου" χώρου, το κενό δεν μπορεί να υπάρξει ούτε στο εσωτερικό της ύλης.
Λέγεται συχνά ότι «το άτομο είναι στο μεγαλύτερο ποσοστό κενός χώρος». Ωστόσο, σύμφωνα με την Κβαντική Φυσική τα σωματίδια δεν έχουν απολύτως καθορισμένες θέσεις και Φυσικά Μεγέθη. Δεν είναι σημεία ούτε «σβώλοι» που καταλαμβάνουν σαφώς μία χωρική περιοχή.
Αντίθετα, μπορεί να θεωρηθεί ότι π.χ. τα ηλεκτρόνια απλώνονται σε ολόκληρο τον χώρο του ατόμου, με μια ορισμένη πιθανότητα να εντοπισθούν σε οποιοδήποτε σημείο του. Επομένως, μπορεί κανείς να αναφερθεί σε μικρότερη ή μεγαλύτερη «πυκνότητα πιθανότητας» σε μια περιοχή του χώρου, αλλά όχι για σαφώς κατειλημμένες και κενές περιοχές.
Σε θεμελιωδέστερο επίπεδο, η Κβαντική Φυσική προβλέπει ότι η Ενέργεια Κενού θα διαφέρει από την απλοϊκά αναμενόμενη, κλασσική τιμή της. Η κβαντική διόρθωση στην ενέργεια καλείται Ενέργεια Μηδενικού Σημείου και συνίσταται από τις ενέργειες εικονικών σωματιδίων που έχουν μια πρόσκαιρη ύπαρξη, καθώς δημιουργούνται αυθόρμητα από το κενό και επιστρέφουν σε αυτό.
Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται Κβαντική Διακύμανση Κενού και είναι συνέπεια της Αρχής Απροσδιοριστίας.
Οι διακυμάνσεις του κενού ενδέχεται επίσης να σχετίζονται με την Κοσμολογική Σταθερά. Οι κυριότερες πειραματικές ενδείξεις υπέρ των διακυμάνσεων του κενού είναι
- το Φαινόμενο Casimir και
- η Μετατόπιση Lamb των ατομικών φασματικών γραμμών.
Σύμφωνα με τη Θεωρία Χορδών, ο όρος «κενό» σημαίνει την θεμελιώδη στάθμη στον Χώρο Hilbert, δηλαδή τη στάθμη με την χαμηλότερη δυνατή ενέργεια.
Στις ελεύθερες (χωρίς αλληλεπιδράσεις) κβαντικές θεωρίες πεδίου, αυτή η στάθμη είναι ανάλογη προς την θεμελιώδη στάθμη ενός κβαντικού αρμονικού ταλαντωτή.
Εικονικά Σωματίδια[]
Η ενέργεια του κενού μπορεί επίσης να μελετηθεί από την άποψη των εικονικών σωματιδίων, (που επίσης είναι γνωστά ως διακυμάνσεις του κενού) τα οποία δημιουργούνται και καταστρέφονται στο κενό. Αυτά τα σωματίδια δημιουργούνται πάντα από το κενό ανά ζεύγη σωματιδίων-αντισωματίων, τα οποία εξαϋλώνονται σύντομα και εξαφανίζεται. Εν τούτοις, αυτά τα ζεύγη εικονικών σωματιδίων μπορούν να αλληλεπιδράσουν με άλλα πριν εξαφανιστούν, μια διαδικασία που μπορεί να σχεδιαστεί με τα διαγράμματα Feynman.
Η απλή εικόνα του κβαντικού κενού στο οποίο υπάρχουν τα "εν δυνάμει" ή εικονικά σωματίδια τροποποιείται αν λάβουμε υπόψη ότι, όπως τα υποατομικά σωματίδια υπόκεινται σε διάφορες επιδράσεις που το είδος τους εξαρτάται από τον τύπο του σωματιδίου, έτσι και μεταξύ των αντίστοιχων εικονικών σωματιδίων δρουν οι ίδιες δυνάμεις. Συνεπώς, είναι δυνατόν να υπάρχουν περισσότερα από ένα είδη κατάστασης κενού. Η ύπαρξη πολλών δυνατών «κβαντικών καταστάσεων» είναι γνωστό χαρακτηριστικό της Κβαντικής Φυσικής, όπως υπάρχουν διάφορες ενεργειακές στάθμες των ατόμων.
Ομοιότητα κενού και ηλεκτρονιακού νέφους[]
Σε ένα άτομο ένα ηλεκτρόνιο είναι δυνατόν να φύγει από την θέση που βρίσκεται, να μεταβεί δηλαδή σε υψηλότερη ενεργειακή στοιβάδα, και το άτομο να διεγερθεί.
- Η χαμηλότερη στάθμη ενέργειας ονομάζεται θεμελιώδης κατάσταση, και είναι σταθερή·
- οι υψηλότερες στάθμες είναι διεγερμένες καταστάσεις, και είναι, ασταθείς.
Αν το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου επανέλθει κατόπιν στη θεμελιώδη του κατάσταση, θα πραγματοποιήσει μία ή περισσότερες προς τα κάτω μεταβάσεις· και το άτομο θα αποδιεγερθεί, και μάλιστα σε σχετικά μικρό χρονικό διάστημα.
Παρόμοιες, όμως, αρχές ισχύουν και για το κενό, το οποίο μπορεί επίσης να έχει μία ή περισσότερες διεγερμένες καταστάσεις.
Αυτές οι καταστάσεις του κενού θα έχουν πολύ διαφορετικές ενέργειες, αν και θα φαίνονταν απολύτως όμοιες.
- Η κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας (δηλαδή η θεμελιώδης κατάσταση) ονομάζεται μερικές φορές "αληθές κενό", ονομασία όπου εκφράζει το γεγονός ότι πρόκειται για σταθερή κατάσταση και ενδεχομένως για αυτήν που αντιστοιχεί στις κενές περιοχές του Σύμπαντος όπως αυτές παρατηρούνται σήμερα.
- Ένα διεγερμένο κενό αντίθετα αναφέρεται ως "ψευδές κενό" ή ψευδοκενό.
Κενό και Κοσμικός Πληθωρισμός[]
Πρέπει να τονίσουμε ότι το ψευδοκενό παραμένει μια καθαρά θεωρητική ιδέα, και οι ιδιότητες του εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη συγκεκριμένη θεωρία που χρησιμοποιούμε. Ωστόσο, η ύπαρξη του προκύπτει αβίαστα στις πιο πρόσφατες θεωρίες που στοχεύουν στην ενοποίηση των τεσσάρων Θεμελιωδών Αλληλεπιδράσεων της Φύσης.
Οι διάφορες Μεγάλες Ενοποιημένες Θεωρίες προβλέπουν επίσης τον πλέον ελπιδοφόρο μηχανισμό του πληθωρισμού.
Ένα κρίσιμο χαρακτηριστικό αυτών των θεωριών είναι ότι η ενέργεια των καταστάσεων ψευδούς κενού είναι τεράστια: τυπικά σε 1 cm3 χώρου θα περιέχονται 1087 Joule. Ακόμη και ο όγκος ενός μόνο ατόμου, σε μια τέτοια κατάσταση, θα περιέχει 1062 J.
Για σύγκριση η ενέργεια που έχει ένα διεγερμένο άτομο είναι της τάξης 10-18 Joule περίπου.
Άρα για να διεγερθεί το αληθές κενό, χρειάζεται υπερβολικά πολλή ενέργεια, και επομένως δεν περιμένουμε να βρούμε κάποιο Ψευδοκενό στο Σύμπαν σήμερα.
Από την άλλη πλευρά, με δεδομένες τις ακραίες συνθήκες που ίσχυαν την περίοδο της Μεγάλης Έκρηξης, αυτοί οι αριθμοί είναι εύλογοι.
Βαρύτητα του Κενού[]
Η τεράστια ενέργεια που σχετίζεται με τις καταστάσεις του Ψευδοκενού ασκεί ισχυρή βαρυτική επίδραση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, όπως έδειξε ο Einstein, η ενέργεια ισοδυναμεί με ύλη, και συνεπώς ασκεί και αυτή βαρυτική έλξη, όπως ακριβώς και η κανονική ύλη.
Η βαρυτική επίδραση της τεράστιας ενέργειας του κβαντικού κενού είναι ισχυρότατα ελκτική: η ενέργεια 1 cm3 του ψευδοκενού ισοδυναμεί με μάζα 1067 τόνους, που είναι μεγαλύτερη από τη συνολική μάζα του Σύμπαντος που μπορούμε σήμερα να παρατηρούμε (περίπου 1050 τόνοι).
Αντιβαρύτητα Κενού[]
Η εν λόγω κολοσσιαία βαρύτητα δεν βοηθάει στην πρόκληση πληθωρισμού, αφού αυτή απαιτεί κάποιο είδος αντι-βαρύτητας. Εν τούτοις, η τεράστια ενέργεια του ψευδούς κενού συνδέεται με μια εξίσου τεράστια πίεση του ψευδούς κενού, και αυτή ακριβώς είναι που λύνει το πρόβλημα, γιατί είναι αρνητική!
Συνήθως, δεν θεωρούμε την πίεση ως πηγή βαρύτητας, αλλά στην πραγματικότητα είναι. Αν και η πίεση ασκεί απωστική Εφαπτική Επίδραση, προκαλεί και βαρυτική έλξη.
Στην περίπτωση των συνηθισμένων σωμάτων η βαρυτική επίδραση της πίεσης είναι αμελητέα συγκρινόμενη με την επίδραση της μάζας του σώματος. Για παράδειγμα, λιγότερο από ένα δισεκατομμυριοστό του βάρους του ανθρώπου στη Γη οφείλεται στην εσωτερική πίεση της.
Παρ' όλα αυτά, η επίδραση της πίεσης είναι πραγματική, και σε ένα σύστημα στο οποίο βρίσκεται σε ακραίες τιμές, η βαρυτική επίδραση της μπορεί να συναγωνιστεί την αντίστοιχη της μάζας.
Στην περίπτωση του ψευδοκενού υπάρχει κολοσσιαία ενέργεια και συγκρίσιμα κολοσσιαία πίεση, οι οποίες ανταγωνίζονται για τη βαρυτική επικράτηση. Η κρίσιμη ιδιότητα, ωστόσο, είναι το ότι η πίεση είναι αρνητική. Επομένως, το ψευδοκενό δεν ωθεί αλλά αναρροφά. Μια αρνητική πίεση παράγει αρνητική βαρυτική δράση, με άλλα λόγια, αντιβαρύτητα.
Έτσι, η βαρυτική επίδραση του ψευδοκενού εμπεριέχει έναν ανταγωνισμό, μεταξύ της τεράστιας ελκτικής επίδρασης της ενέργειας του και της τεράστιας απωστικής επίδρασης της αρνητικής πίεσης του. Αποδεικνύεται ότι η πίεση τελικά επικρατεί, και το συνολικό αποτέλεσμα είναι η παραγωγή μιας απωστικής δύναμης τόσο μεγάλης, που μπορεί να διαλύσει το Σύμπαν σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Αυτή η γιγαντιαία πληθωριστική ώθηση προκάλεσε το διπλασιασμό του μεγέθους του Σύμπαντος κάθε 10-34 δευτερόλεπτα στις πρώτες του στιγμές.
Διακυμάνσεις του Κενού[]
Το ψευδοκενό είναι από τη φύση του ασταθές. Όπως όλες οι διεγερμένες κβαντικές καταστάσεις, τείνει και αυτό να "αποδιεγερθεί" στη θεμελιώδη κατάσταση του, δηλαδή στο αληθές κενό. Αυτό πιθανώς συμβαίνει έπειτα από μερικές δεκάδες "τικ". Όντας κβαντική διαδικασία, υπόκειται στην αναπόφευκτη αβεβαιότητα και τις τυχαίες διακυμάνσεις, όπως επιβάλλει η αρχή της απροσδιοριστίας του Heisenberg. Αυτό σημαίνει ότι η αποδιέγερση δεν θα συμβεί ομοιόμορφα σε όλο το Χώρο: θα υπάρχουν διακυμάνσεις. Μερικοί ερευνητές υποθέτουν ότι αυτό αποτελεί την πηγή των διακυμάνσεων που παρατηρήθηκαν από τον δορυφόρο WMAP που έκανε τη χαρτογράφηση των διακυμάνσεων των μικροκυμάτων στον ουρανό.
Κενό και Κοσμικά Μικροκύματα[]
Από τη στιγμή που το ψευδοκενό έχει αποδιεγερθεί, το Σύμπαν ξαναρχίζει την κανονική επιβραδυνόμενη διαστολή του. Η ενέργεια που υπήρχε εγκλωβισμένη στο ψευδοκενό ελευθερώνεται με τη μορφή θερμότητας. Η τεράστια πληθωριστική διαστολή είχε ψύξει το Σύμπαν σε μια θερμοκρασία πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν. Με το τέλος του πληθωρισμού, όμως, η θερμότητα που ελευθερώνεται το αναθερμαίνει αιφνίδια στην τεράστια θερμοκρασία των 1028 βαθμών. Αυτή η απέραντη δεξαμενή θερμότητας που δημιουργήθηκε τότε επιζεί και σήμερα, με τη μορφή της θερμικής ακτινοβολίας κοσμικού υποβάθρου.
Κενό και Πρόσθετη Κοσμική Ύλη[]
Ένα παραπροϊόν της απελευθέρωσης της ενέργειας του κενού είναι ότι τα πολλά εικονικά σωματίδια που υπήρχαν σε αυτό προσέλαβαν ένα μικρό ποσό ενέργειας και προήχθησαν σε πραγματικά σωματίδια. Έπειτα από περαιτέρω διεργασίες και μεταβολές, ένα υπόλειμμα αυτών των αρχέγονων σωματιδίων έφτασε σήμερα να αποτελεί τους 1050 τόνους της ύλης που βλέπουμε στο παρατηρήσιμο Σύμπαν.
Αν το πληθωριστικό σενάριο βρίσκεται στον σωστό δρόμο τότε η βασική δομή και τα θεμελιώδη συστατικά του Σύμπαντος καθορίστηκαν από διαδικασίες που είχαν ολοκληρωθεί ήδη στα 10-32 δευτερόλεπτα!
Κενό και Κοσμολογική Σταθερά[]
Πολλοί επιστήμονες, ανάμεσα τους και ο Weinberg, πιστεύουν ότι η Σκοτεινή Ενέργεια είναι η ενέργεια του κενού, που εκφράζεται από την Κοσμολογική Σταθερά (Λ). Όμως στο σημείο αυτό πρέπει να αναφέρουμε το λεγόμενο πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς (cosmological constant problem).
Σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας, όλα τα κβαντικά πεδία, ακόμα και όταν βρίσκονται στη βασική μη διεγερμένη κατάσταση, έχουν μη-μηδενική ενέργεια. Απλοί υπολογισμοί της κβαντικής θεωρίας πεδίου οδηγούν σε τιμές για την πυκνότητα της ενέργειας του κενού (δηλαδή για την κοσμολογική σταθερά Λ), που είναι 120 τάξεις μεγέθους (10120) μεγαλύτερη από την πυκνότητα της συνηθισμένης ύλης (όπως παρατηρείται στο Σύμπαν).
Όμως, πρώτον, μια τόσο μεγάλη πυκνότητα ενέργειας του κενού χώρου θα προκαλούσε μια εκθετικά επιταχυνόμενη Κοσμική Διαστολή που θα διέλυε όλους τους ηλεκτροστατικούς και πυρηνικούς δεσμούς, οι οποίοι συγκρατούν τους πυρήνες, τα άτομα και τα μόρια.
Και, δεύτερον, μετρήσεις στο χώρο της Κοσμολογίας δίνουν ένα αρνητικό αποτέλεσμα, δείχνοντας έτσι έναν ανώτερο όριο της κοσμολογικής σταθεράς Λ.
Κενό και Συμπαντική Δημιουργία[]
Έτσι, η τελευταία τιμή υπονοεί ότι στην συνολική κλίμακα του Σύμπαντος, τα φαινόμενα των διακυμάνσεων του κενού ακυρώνονται. Και αυτή η αξιολόγηση έρχεται και σε μία εποχή, που οι θεωρητικοί υπολογισμοί υποδεικνύουν συνεισφορές της διακύμανσης του κενού από τα κυρκόνια (quarks) με μια τάξη 10-6 m-2.
Από τη θεωρία του πληθωρισμού προκύπτει κάτι καταπληκτικό. Οι μεγάλες συγκεντρώσεις της ύλης ((Σμήνη Γαλαξιών, Υπερσμήνη και Γαλαξίες) προέρχονται σύμφωνα με τη θεωρία από τις κβαντικές διακυμάνσεις όταν το Σύμπαν είχε ηλικία 10-35 δευτερόλεπτα.
Το περίεργο της Κβαντικής Φυσικής είναι ότι επιτρέπει στο Σύμπαν να δημιουργηθεί από το μηδέν, δηλ. από το κενό. Διότι επιτρέπει να δημιουργούνται σωματίδια και ταχύτατα να εξαφανίζονται με μια διαδικασία που λέγεται "διακύμανση του κενού".
Σε αυτό το μοντέλο προβλέπεται επίσης να δημιουργήθηκαν 1078 περιοχές, που δημιούργηθηκαν τη χρονική στιγμή 10-35 sec μετά το Big Bang! Μια από τις περιοχές αυτές σχημάτισε το γνωστό μας Σύμπαν.
Το Σύμπαν λοιπόν χρειαζόταν τον πληθωρισμό για να "εκκινήσει" επειδή όταν πρωτοεμφανίστηκε, ήταν μια μικρή μπάλα μεγέθους 10-35m, ύλης και ενέργειας περίπου 1020 φορές μικρότερο από το πρωτόνιο.
Υποσημειώσεις[]
Εσωτερική Αρθρογραφία[]
Βιβλιογραφία[]
Ιστογραφία[]
- Ομώνυμο άρθρο στην Βικιπαίδεια
- Ομώνυμο άρθρο στην Livepedia
- Ομώνυμο άρθρο στην Astronomia
- physics4u.gr
- topology of quantum vacuum
- manipulate pure nothingness
- The Four Scientific Meanings Of 'Nothing'
 Κίνδυνοι Χρήσης
|
|---|
|
Αν και θα βρείτε εξακριβωμένες πληροφορίες "Οι πληροφορίες αυτές μπορεί πρόσφατα Πρέπει να λάβετε υπ' όψη ότι Επίσης, |
- Μην κάνετε χρήση του περιεχομένου της παρούσας εγκυκλοπαίδειας
αν διαφωνείτε με όσα αναγράφονται σε αυτήν
- Όχι, στις διαφημίσεις που περιέχουν απαράδεκτο περιεχόμενο (άσεμνες εικόνες, ροζ αγγελίες κλπ.)