Что такое вакуум?

Как определить вакуум? Откуда он берется и для чего он вам нужен?

ОТВЕТ

Пространство между планетами, звездами и/или галактиками часто называют космическим вакуумом. Однако это не совсем вакуум, поскольку он заполнен излучением различных видов, включая свет звезд и реликтовое фоновое излучение.

Если мы откачаем весь воздух из сосуда, мы часто говорим, что внутри него образовался вакуум. Однако это не совсем вакуум, потому что откачка воздуха никогда не бывает полной, и, кроме того, внутри остаются, например, фотоны теплового излучения от стенок сосуда.

Как же строго определить вакуум? Практически все описываемые нами квантовые системы имеют так называемое основное состояние, т.е. состояние с наименьшей энергией. В квантовой теории поля такое состояние называется вакуумом. Это и есть определение вакуума. Само слово "вакуум" использовалось с древности для описания области, в которой не существует ни одной частицы. Это определение не годится в квантовой теории поля, где вакуум определяется сначала, а частица только потом, как некое возбуждение по отношению к состоянию вакуума.

Приведенное выше определение вакуума применимо к теориям поля, которые не учитывают гравитацию. После принятия во внимание гравитации и расширения Вселенной само понятие полной энергии не имеет четкого определения на классическом уровне. Мы по-прежнему можем использовать термин "вакуум", но с учетом того, что это относительное понятие, зависящее от несколько произвольного разделения описываемого гравитационного поля на классический фон и квантовые возбуждения.

Если мы рассматриваем ограниченную физическую систему и называем ее основное состояние вакуумом, то вопрос "откуда она взялась и для чего она нужна?" эквивалентен вопросу "для чего нужна эта система, откуда она взялась и почему у нее есть основное состояние?". Ответ на этот вопрос невозможно дать, не уточнив, какую систему мы имеем в виду. Если наша система - это вся Вселенная, то отметим, что она не находится в состоянии вакуума - она заполнена материей, состоящей из частиц разных видов, а также излучением.