Ogled vira Kvantna fluktuacija

[[slika:Vacuum fluctuations revealed through spontaneous parametric down-conversion.ogv|thumb|right|250px|Vizualizacija kvantnih fluktuacij (v rdečem obroču) s pomočjo [[spontano parametrično sipanje|spontanega parametričnega sipanja]] (SPDC). ]]
'''Kvántna fluktuácija''' ('''fluktuácija vákuumskega stánja''' ali '''vákuumska fluktuácija''') je v [[kvantna mehanika|kvantni mehaniki]] trenutna sprememba količine [[energija|energije]] v [[Točka (geometrija)|točki]] [[prostor]]a,<ref>{{sktxt|Browne|1990}}.</ref> ki ga opisuje [[Werner Heisenberg|Heisenbergovo]] [[načelo nedoločenosti]].

To omogoča nastanek parov [[osnovni delec|osnovnih delcev]] in njihovih [[antidelec|antidelcev]] kot virtualnih delcev. Učinki teh delcev so [[meritev|merljivi]], na primer v efektivnem naboju [[elektron]]a, ki je različen od njegovega »golega« [[osnovni naboj|osnovnega naboja]].

Kvantne fluktuacije so bile verjetno zelo pomembne pri izvoru zgradbe [[vesolje|vesolja]]. Nepravilnosti v zgodnjem Vesolju se kažejo v [[prasevanje|prasevanju]].<ref>{{sktxt|Bretón|Cervantes-Cota|Salgado|2004}}.</ref> Po modelu razširjajoče [[kozmična inflacija|inflacije]] so se tedanje obstoječe fluktuacije pri njenem začetku ojačale in tvorile seme trenutno [[opazljivo vesolje|opazljivega vesolja]]. Za trenutno [[pospešeno širjenje Vesolja]] je lahko odgovorna tudi [[vakuumska energija]] ([[kozmološka konstanta]]).

Po eni formulaciji načela nedoločenosti sta energija in [[čas]] povezana z zvezo (Mandelštam-Tammova enačba):<ref>{{sktxt|Mandelštam|Tamm|1945}}.</ref>

: <math>\delta E \ \delta t \geq \frac{h}{4\pi} \!\, . </math>

Po sodobnem pogledu se energija vedno [[ohranitveni zakon|ohranja]]. Ker pa [[operator števila delcev]] ni [[komutativnost|komutativen]] s [[Hamiltonova funkcija|Hamiltonovo funkcijo]] polja ali energijskim operatorjem, najnižja energija ali osnovno stanje, velikokrat imenovano [[vakuumsko stanje]], ni, kakor bi se iz imena pričakovalo, stanje brez delcev, ampak bolj [[kvantna superpozicija]] [[lastna vrednost|lastnih vrednosti]] števila delcev s številom delcev 0, 1, 2, ... itd.

== Kvantne fluktuacije polja ==

Kvantna fluktuacija je začasna pojavitev energijskih delcev iz praznega prostora kakor jo dovoljuje načelo nedoločenosti. Ta pravi, da je za vsak par konjugiranih spremenljivk, kot sta lega/[[gibalna količina]] ali energija/čas, istočasno nemogoče točno poznati določeno vrednost ene spremenljivke v paru. Par delcev se lahko na primer pojavi iz vakuuma v zelo kratkem času.

Razširitev je primerna za »nedoločenost v času« in »nedoločenost v energiji« vključno z energijo [[mirovna masa|mirovne mase]] <math>mc^{2}\!\,</math>. Kadar je masa zelo velika, kot na primer pri makroskopskem telesu, nedoločenosti in z njimi kvantni učinek postanejo zanemarljivo majhne, pri čemer zakoni klasične fizike veljajo.

V [[kvantna teorija polja|kvantni teoriji polja]] so polja izpostavljena kvantnim fluktuacijam. Med kvantnimi in [[toplotna fluktuacija|toplotnimi fluktuacijami]] kvantnega polja je moč narediti jasno smiselno razliko, vsaj za prosto polje. Pri interagirajočih poljih [[renormalizacija]] močno zaplete zadeve. Za [[Klein-Gordonova enačba|kvantizirano Klein-Gordonovo polje]] v vakuumskem stanju se lahko izračuna [[gostota verjetnosti]], da se opazi konfiguracija <math>{\displaystyle\varphi_t(x)}\!\, </math> v času <math>t\!\, </math>, z izrazi njene [[Fourierova transformacija|Fourierove transformacije]] <math>{\displaystyle\tilde\varphi_t(k)}\!\, </math>:

: <math> \rho_0[\varphi_t] = \exp{\left[-\frac{1}{\hbar}
        \int\frac{d^3k}{(2\pi)^3}
            \tilde\varphi_t^*(k)\sqrt{|k|^2+m^2}\;\tilde \varphi_t(k)\right]} \!\, .</math>
            
Z razliko za [[Klein-Gordonova enačba|klasično Klein-Gordonovo polje]] pri neničelni temperaturi je [[Gibbsovo stanje|Gibbsova gostota verjetnosti]], da se opazi konfiguracija <math>{\displaystyle\varphi_t(x)}\!\, </math> v času <math>t\!\, </math>, enaka:

: <math> \rho_E[\varphi_t] = \exp{[-H[\varphi_t]/k_\mathrm{B}T]}=\exp{\left[-\frac{1}{k_\mathrm{B}T} \int\frac{d^3k}{(2\pi)^3}
            \tilde\varphi_t^*(k){\scriptstyle\frac{1}{2}}(|k|^2+m^2)\;\tilde \varphi_t(k)\right]} \!\, . </math>

Amplitudo kvantnih fluktuacij nadzira [[Planckova konstanta]] <math>\hbar\!\, </math>, podobno kot amplitudo toplotnih fluktuacij nadzira člen <math>k_\mathrm{B}T\!\, </math>, kjer je <math>k_\mathrm{B}\!\, </math> [[Boltzmannova konstanta]]. Pri tem so naslednje točke tesno povezane:

# Planckova konstanta ima enote za [[akcija (fizika)|akcijo]] (joule-sekunda) namesto enot za energijo (joule),
# kvantno jedro je <math> \sqrt{|k|^{2}+m^{2}}\!\, </math> namesto <math> {\scriptstyle\frac{1}{2}}(|k|^{2}+m^{2})\!\, </math> (kvantno jedro je nekrajevno iz zornega kota klasičnega [[toplotno jedro|toplotnega jedra]], vendar je krajevno v smislu, da ne dovoljuje prenosa signalov
# kvantno vakuumsko stanje je [[Lorentzeva kovariantnost|Lorentzeva invariantnost]] (čeprav to zgoraj ni očitno), klasično toplotno stanje pa ni (klasična dinamika je Lorentzeva invariantnost, Gibbsova gostota verjetnosti pa kot začetni pogoj ni Lorentzeva invariantnost).

Lahko se skonstruira klasično zvezno naključno polje z enako gostoto verjetnosti kot kvantno vakuumsko stanje, tako da je načeloma glavna razlika od teorije kvantnega polja teorija merjenja ([[matematična formulacija kvantne mehanike|meritev v kvantni mehaniki]] je različna od meritve za klasično zvezno naključno polje v smislu, da so klasične meritve vedno medsebojno primerljive – v kvantnomehanskem smislu pa vedno komutirajo). Kvantni vplivi, ki so posledice le kvantnih fluktuacij in ne od finosti meritvene nezdružljivosti, so lahko alternativno modeli klasičnih zveznih naključnih polj.

V 1930-ih je [[Ernst Pascual Jordan]] vedel, da ima lahko [[zvezda]] ničelno energijo, ker je njena energija snovi pozitivna, njena gravitacijska energija pa negativna, tako da se med seboj izničita. To ga je vodilo do razmišljanja kaj bi preprečilo kvantnemu prehodu za nastanek nove zvezde. To zamisel je dobil, ker je poskušal ugotoviti od kod bi se vzela snov, če bi obstajalo vedno prisotno vesolje.<ref name="tryon">{{sktxt|Reynosa|2016a}}.</ref>

Decembra 1973 je britanska znanstvena revija ''[[Nature]]'' objavila članek mladega ameriškega fizika [[Edward Polk Tryon|Edwarda Polka Tyrona]] z naslovom »Is the Universe a Vacuum Fluctuation?« V članku je Tryon dejal, da mogoče krajevno vesolje izvira od kvantne fluktuacije vakuuma in da je kot celota dolgoživeči virtualni delec.<ref name="tryon"/><ref>{{sktxt|Tryon|1973}}.</ref> Zamisli, da krajevno vesolje izhaja iz kvantne fluktuacije ali kvantnega procesa, niso jemali resno do pojavitve teorije inflacije. Ta je lahko pojasnila kako se je krajevno vesolje lahko napihnilo iz drobnega delca.<ref>{{sktxt|Reynosa|2016b}}.</ref>

== Interpretacije ==
{{glej tudi|interpretacije kvantne mehanike}}

Uspeh teorij kvantnih fluktuacij je dal način za metafizične interpretacije narave stvarnosti in njihovo možno vlogo za izvor in zgradbo Vesolja:
* fluktuacije so manifestacije svojstvene nedoločenosti na kvantnem nivoju.<ref>{{sktxt|Kennedy|2012}}.</ref>
* fluktuacije polj v vsakem elementu prostora-časa krajevnega vesolja so lahko povezane skozi vesolje z mezoskopsko [[kvantna prepletenost|kvantno prepletenostjo]].
:* da osnovni delci izhajajo iz svojih kvantnih polj, je vedno neizogibni predmet te stvarnosti in je zato opisljiv s pripadajočo [[valovna funkcija|valovno funkcijo]].
:* valovna funkcija kvantnega delca predstavlja stvarnost svojstvenih kvantnih fluktuacij v jedru vesolja in podeljuje delcu njegovo protiintuitivno kvantno obnašanje.
:* v [[poskus z dvema režama|poskusu z dvema režama]] vsak delec izvede nepredvideno izbiro med dvema alternativnima možnostima kar je v skladu z interferenčnim vzorcem s pripadajajočimi fluktuacijami osnovnega kvantnega polja, ki omogoča, da ga tako tvori elektron.<ref>{{sktxt|Bhaumik|2013a}}.</ref>
:* takšno osnovno nespremenljivo kvantno polje, po katerem so kvantne fluktuacije povezane s splošnim merilom, lahko pojasni nekrajevnost kvantne prepletenosti kot naravni proces.<ref>{{sktxt|Bhaumik|2013b}}.</ref>

== Glej tudi ==

* [[Casimirjev pojav]]
* [[prasevanje]]
* [[kvantno žarjenje]]
* [[kvantna pena]]
* [[virtualni delec]]
* [[virtualna črna luknja]]
* [[stohastična interpretacija]]
* [[Zitterbewegung]]
* [[vakuumska geneza]]

== Sklici ==

{{sklici|3}}

== Viri ==

{{refbegin|2}}
* {{navedi arXiv|last1= Bhaumik|first1= Mani Lal|authorlink1= Mani Lal Bhaumik|title= Comprehending Quantum Theory from Quantum Fields|eprint= 1310.1251|date= 2013-10-04|class=physics.gen-ph}}
* {{navedi arXiv|last1= Bhaumik|first1= Mani Lal|authorlink1= |title= Reality of the wave function and quantum entanglement|eprint= 1402.4764|date= 2013-12-15|class= physics.gen-ph}}
* {{citat|editor-last1= Bretón|editor-first1= Nora|editor-last2= Cervantes-Cota|editor-first2= Jorge L.|editor-last3= Salgado|editor-first3= Marcelo|title= The Early Universe and Observational Cosmology|date= 2004|publisher= Springer-Verlag|location= Berlin, Heidelberg|url= https://books.google.si/books?id=gxoHv2pz-joC|isbn= 3-540-21847-5}}
* {{navedi novice|last1= Browne|first1= Malcolm W.|quote= Po kvantni teoriji vakuum ne vsebuje snovi ali energije, ampak vsebuje ''fluktuacije'', prehode med nečim in ničem v katerih se lahko obstoj potenciala transformira v resnični obstoj s pridano energijo. (Energija in snov sta enakovredni, saj vsa snov vsebuje pakete energije). Tako je popolnoma prazni prostor vakuuma dejansko prepojena motnja nastajanja in izničevanja, ki se v običajnem svetu zdi mirna, saj je stopnja fluktuacij v vakuumu majhna, poleg tega pa se fluktuacija med seboj izničujejo. Čeprav se zdijo mirne, so motnje v stanju neprestanega in iščejo združljivo snov ali fluktuacije.|url= https://www.nytimes.com/1990/08/21/science/new-direction-in-physics-back-in-time.html?pagewanted=all|publisher= [[The New York Times]]|title= New Direction in Physics: Back in Time|date= 1990-08-21|accessdate= 2010-05-22|language= en}}
* {{citat|last1= Edwards|first1= Rem Blanchard|title= What caused the big bang?|date= 2001|publisher= Rodopi|isbn= 978-90-420-1407-7|url= https://books.google.com/books?id=3y5xm4rUf58C&pg=PA203}}
* {{navedi splet|last1= Kennedy|first1= James E.|title= Nature and Meaning of Information in Physics|date= 2012|url= http://science.jeksite.org/info1/pages/page4.htm|website=science.jeksite.org|accessdate= 2017-04-22|language= en}}
* {{citat|last1= Mandelštam|first1= Leonid Isakovič|authorlink1= Leonid Isakovič Mandelštam|last2= Tamm|first2= Igor Jevgenjevič|authorlink2= Igor Jevgenjevič Tamm|url= http://daarb.narod.ru/mandtamm/index-eng.html|title= The uncertainty relation between energy and time in nonrelativistic quantum mechanics|journal= Izv. Akad. Nauk SSSR (ser. Fiz.)|date= 1945|volume= 9|issue= |pages= 122–128}}. Angleški prevod: J. Phys. (USSR) '''9''', 249–254 (1945).
* {{citat|last1= Mukhanov|first1= V. F.|last2= Feldman|first2= H. A.|last3= Brandenberger|first3= Robert H.|title= Theory of cosmological perturbations|journal= [[Physics Reports]]|date= 1992|volume= 215|issue= 5–6|pages= 203–333|doi= 10.1016/0370-1573(92)90044-Z}}
* {{navedi splet|last1= Reynosa|first1= Peter|title= Why Isn't Edward P. Tryon A World-famous Physicist?|date= 2016-03-16|url= http://www.huffingtonpost.com/peter-reynosa/why-isnt-edward-p-tryon-world-famous_b_9471504.html|publisher= Huffington Post|accessdate= 2016-03-22|language= en}}
* {{navedi splet|last1= Reynosa|first1= Peter|title= Some of the Changes Lawrence M. Krauss Should Make to the Second Edition of "A Universe from Nothing"|date= 2016-04-12|url= http://www.huffingtonpost.com/peter-reynosa/some-of-the-changes-lawre_b_9664630.html|publisher= Huffington Post|accessdate= 2016-04-13|language= en}}
* {{citat|last1= Riek|first1= C.|last2= Seletskiy|first2= D. V.|last3= Moskalenko|first3= A. S.|last4= Schmidt|first4= J. F.|last5= Krauspe|first5= P.|last6= Eckart|first6= S.|last7= Eggert|first7= S.|last8= Burkard|first8= G.|last9= Leitenstorfer|first9= A.|title= Direct sampling of electric-field vacuum fluctuations|journal= [[Science]]|date= 2015|volume= 350|issue= 6259|pages= 420–423|doi= 10.1126/science.aac9788}}
* {{citat|last1= Tryon|first1= Edward Pork|authorlink1= Edward Pork Tryon|title= Is the Universe a Vacuum Fluctuation?|date= 1973|journal= [[Nature]]|volume= 246|issue= |pages= 396–397|doi= 10.1038/246396a0}}
{{refend}}

== Zunanje povezave ==

* Quantum Fluctuation at universe-review.ca {{ikona en}}

{{DEFAULTSORT:kvantna fluktuacija}}

[[Kategorija:Kvantna mehanika]]
[[Kategorija:Inflacija (kozmologija)]]
[[Kategorija:Energija]]