Finns tyngdkraften i ett vakuum?

Din intuition är bra , men du blandar ihop några kvant- och klassiska fenomen.

I klassisk (dvs. icke-kvant) fysik är ett vakuum en region i rymden oavsett. Du kan ha elektromagnetiska fält i ett vakuum, så länge laddningarna som skapar fälten ligger i en annan region. På samma sätt kan du ha gravitationsfält i ett vakuum, genererat av massor någon annanstans i rymden. I denna klassiska beskrivning av universum finns det inga sådana saker som fotoner eller gravitoner, och allt (för det mesta) fungerar.

Inom kvantfysik är historien inte så lätt. Som du säger, nu är våra kraftfält också partiklar (fotoner och gravitoner), så kanske en ”kvantvakuum” borde inte heller inkludera dem? Tyvärr visar det sig att det i kvantmekanik (som rob påpekade) är omöjligt att ha ett perfekt vakuum, ett tillstånd utan partiklar i det alls. Ett sätt att se detta är genom principen om energitids osäkerhet: $ \ Delta E \ \ Delta t > \ hbar / 2 $.

Ett perfekt vakuum, ett tillstånd utan partiklar alls, måste ha exakt noll energi. Om energin är exakt noll är den helt säker och $ \ Delta E = 0 $ som bryter mot osäkerhetsprincipen. Så kvantvakuumet är inte ett tillstånd med nollpartiklar, det är ett tillstånd med troligen nollpartiklar.Och i olika situationer kan det vara bra att ändra din definition av ”förmodligen”, så det finns många olika saker som fysiker kommer att kalla ett ”vakuum” i kvantmekanik.

Denna idé, den kvantmekaniska där är alltid några partiklar i någon region i rymden, har några häftiga konsekvenser som vi ”har verifierat i labbet! Den ena är Casimir-effekten . Detta är en kraft som dyker upp när du förflyttar två objekt i ett vakuum så nära varandra trycket från dessa ”virtuella” fotoner får dem att attrahera. En annan är partikeln de upptäckte vid LHC, Higgs Boson . Higgs-fältet har ett ”vakuumförväntningsvärde”, ett perfekt kvantvakuum kommer att ha ett Higgs-fält som inte är noll genom hela det. Excitationer av detta fält är de Higgs-partiklar som finns vid LHC!

Kommentarer

• Några bra svar här, tack till alla. Jag förstår nu att vakuum kan vara relativt beroende på sammanhanget och behöver inte vara en absolut ingenting. Ber om ursäkt för bristen på röster eftersom jag saknar rep.
• Många av idéerna i det här svaret är användbara, men många av dem är ’ t helt rätt . För det första är osäkerhetsprincipen för tidsenergi ofta en hal sak att ordentligt fastna i och kan ’ inte tillämpas för att få slutsatserna här: i själva verket är vakuumet en energitillstånd av definition, så har en exakt energi (men inte ett exakt partikelnummer i en interagerande teori). [Bortsett från: detta är inget att säga om Hamiltonens vanliga subtiliteter i kvantitet …] Dessutom förvirrar Higgs-grejer fältet (med en icke-noll VEV) med partikeln (fluktuationer bort från detta värde).
• @Holographer, jag kunde inte ’ inte håller med mer. Jag siktade på ett mer intuitivt svar än rigoröst, men borde ha varit mer försiktig. Jag uppdaterade Higg ’ s diskussion, har du några förslag för att rensa upp eller ersätta energitids osäkerhetsargument?

Gravitonen är den hypotetiska mätarbosonen som är associerad med gravitationsfältet. Jag säger hypotetisk eftersom det är långt ifrån klart om gravitationen kan beskrivas med en kvantfältsteori, så det är inte klart om gravitoner är en användbar beskrivning.

I vilket fall som helst bör du inte ta uppfattningen om virtuella partiklar som gravitonen för allvarligt. Ta en titt på Matt Strasslers artikel om virtuella partiklar . Virtuella partiklar är egentligen bara en matematisk anordning för att beskriva energin i kvantfält. Så även om gravitationen är en bra beskrivning av gravitationen, borde vi inte se vakuumet vara fullt av gravitoner och därför inte egentligen ett vakuum.

Antag till exempel att vi lägger en laddad partikel i ett vakuum. Skulle du påstå att vakuumet inte är ett vakuum eftersom det finns ett elektriskt fält i det? Om så är fallet måste du också säga att vakuumet nära en massiv kropp inte är ett vakuum eftersom det finns ett gravitationsfält i det. Medan jag antar att det finns en viss giltighet för detta påstående verkar det alltför ivrigt.

Kommentarer

• ” skulle du hävda att vakuumet inte är ett vakuum eftersom det finns ett elektriskt fält i det? ” Nej … Jag skulle hävda det ’ s inte ett vakuum eftersom du lägger in en laddad partikel i den.
• @PaddlingGhost: men fältet som skapas av en laddad kropp sträcker sig in i vakuumet som omger det.

Du förvirrar helt enkelt vakuum med ”intet”, vilket är ett filosofiskt begrepp. Du kan kontrollera definitionen på wiki

Vakuum är utrymme som saknar materia . Ordet härstammar från det latinska adjektivet vacuus för ”vacant” eller ”tom”. En approximation till ett sådant vakuum är ett område med ett gastryck som är mycket mindre än atmosfärstrycket. [1] Fysiker diskuterar ofta ideala testresultat som skulle inträffa i ett perfekt vakuum, som de ibland helt enkelt kallar ”vakuum” eller fritt utrymme, och använder termen partiellt vakuum för att referera till ett verkligt ofullständigt vakuum som man kan ha i ett laboratorium eller i rymden.

Det finns olika teorier som försöker förklara gravitey (krökning av rymdtid, graviton, etc) men enligt ingen av denna gravitation eller gravitoner kan betraktas materia

Kommentarer

• Kan du anpassa det här svaret för att faktiskt svara på frågan? Du har ’ inte alls talat om gravitationen.

I kvantmekanik är det omöjligt att ta bort alla partiklar från ett vakuum.En volym av rymdtid som bara innehåller fotoner och gravitoner i termisk jämvikt (eller inte) låter som ett helt bra vakuum för mig.

Ett perfekt vakuum existerar aldrig som nämnts i flera andra kommentarer. Alla ”budbärarpartiklar” är fluktuationer i deras respektive fält (t.ex. gravitationen en plats i gravitationsfältet som har ett energinivå som inte är noll). Alla fält är föremål för kvantfluktuationer, i huvudsak har de sällan ingen energi vid en punkt men fluktuationerna i genomsnitt är noll (det vill säga för de flesta fält, andra som det föreslagna Higgs-fältet har möjligen icke-försumbar energivärden som lägst energitillstånd). Eftersom gravitonen också kan beskrivas som en vågfunktion (ungefär som ljus; det finns teoretiskt sådant som gravitation vågor som snedvrider rymdtid). Detta och poängen som tidigare gjorts är ett bevis på varför det inte finns något sådant som ett perfekt vakuum. Vad som kan göra situationen lite mer komplicerad är strängteori som förutspår att gravitonen ska vara en slutsträng som tyder på dess förmåga att interagera med mer än våra tre rymd- och engångsdimensioner. (All information sammanfattad från Brian Greene ”s Fabric of the Cosmos

Jag tror att en del av problemet är att inte ha en tydlig definition av ”vakuum.”
Jag kan tänka på minst tre typer av vakuum. 1) absolut 2) konventionell & 3)” praktisk ”vakuum. Det praktiska vakuumet är den typ du hittar i ett” lab. ”Det konventionella vakuumet är det som definieras som” frånvaro av materia. ”Det absoluta vakuumet existerar inte, förutom” teoretiskt. ”
Med de praktiska och konventionella definitionerna för vakuum är svaret på frågan ja , tyngdkraft finns i dessa typer av vakuum. För den absoluta definitionen är svaret nej , eftersom ingenting finns (inte ens fält, fotoner, fluktuationer, gravitoner etc.).

Ja, tyngdkraften finns i ett vakuum. Ett vakuum behöver inte vara helt saknat materia, det behöver bara ha ett lägre tryck än området runt det.

Tänk på sprutan ovan. Om jag skulle sätta fingret över änden och sedan dra i kolven skulle ett ofullständigt vakuum skapas. Om det fanns en solid massa i spruthålan, skulle den fortfarande lyda gravitationen.