Kvanttifluktuaatio vs. tyhjiöenergia

[tnjrp]

Päivää. Linkkivinkkiä kaivattaisiin otsikonmukaisesta, hyvin perustavanlaatuisesta aiheesta...

Olen antanut kertoa itselleni, että kvanttifluktuaatio ja tyhjiöenergia olisivat eri tapoja tarkastella samaa ilmiöitä. Näinhän asia selitetään mm. Wikipediassa.

Välillä kuitenkin törmää väitteisiin, että näin ei olisikaan eli toinen johtuisi toisesta. Kaipaisinkin hieman "pidempää kättäpidempää" eli Wikiä painoarvoisempaa ja mahdollisesti tieteellisempää tietoa asian tiimoilta -- saa olla käsitykseni kumoavakin, jos on jäänyt ns. hapatus päälle. Vaan tuntuu olevan googlen käyttö taas hakusessa meikäläisellä ???

Suomen- tai vielä mieluummin englanninkieliset huomioidaan. Kirjatkin käy, jos osaa laittaa vakuuttavan referaatin kirjan välittämästä informaatiosta.

Kii-tooos.

[Mesq]

Auttaisin googletuksessa mielelläni, mutta ensin täytyy kysyä tarkennusta: Jos käsitteillä kvanttifluktuaatio ja tyhjiöenergia on muutakin kuin semanttinen ero, niin mikä se on?

[tnjrp]

Niin, toistaakseni itseäni kun en paremmin osaa asiaa selittää: minusta kyseessä on sama asia eri tavoin tarkastellen, vrt. vaikka painovoima kenttänä ja gravitonien tuottamana. Ja hakusessa sellainen lähde, joka selittää ilmiön joko näin tai sitten selkeästi jomman kumman toisesta johtuvaksi.

Wikipedia on minun tietääkseni jotakuinkin kartalla tässä asiassa, mutta kun se ei nyt piisaa (liian helppo ohittaa olankohautuksella). Kannattanee vilkaista kuitenkin, jos saisit sieltä jotain vinkkiä hakuihin:
http://fi.wikipedia.org/wiki/Kvanttifluktuaatio
http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_fluctuation
http://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_energy

Kirjoista veikkaisin, että vaikkapa Brian Greenen Kosmoksen rakenne tai Paul Daviesin suht hiljan suomennettu Kultakutrin arvoitus saattaisi selvittää asian maallikkotasoisesti. Edellisen olen lukenutkin, mutta kun en enää muista miten tarkkaan siinä asiaa puitiin. Kumpaakaan ei ole hyllyssä ja eikös internetin yksi etu (ilmaisen pornon lisäksi, tietenkin) ole, ettei tarvitse lähteä kirjastoon :P

[RJ]

Ihan lyhyesti vastattuna mielestäni kyse on hieman eri tason käsitteistä.

Kvanttifluktuaatio on yleinen käsite ja se voi tarkoittaa montaa eri asiaa. Sanalla viitataan kvanttifysiikan todennäköisyysluonteeseen: todennäköisyyksiin liittyy aina tilastot ja tilastoihin erilaiset heilahtelut, eli fluktuaatiot. Wikipedia määrittelee kvanttifluktuaation ehkä turhan spesifisesti juuri energiaan liittyväksi ilmiöksi.

Tyhjiöenergia on eräs havaittu ilmiö, joka voidaan johtaa teoreettisesti kvanttimekaniikan fluktuoivasta luonteesta.

[tnjrp]

On totta, että suomenkielinen wiki vetää mutkat turhan suoriksi. Englanninkielinen maailma (myös wikimaailma) tuntee tarkemman termin vacuum fluctuation, jolla pitäisi kaiketi viitattaman juuri "tyhjiön poreiluun". En valitettavasti osaa sanoa, mikä vastaa termi olisi suomeksi.

[RJ]

Jos puhutaan nimenomaan tyhjiön poreilusta ja tyhjiöenergiasta, niin ne kyllä liittyvät toisiinsa läheisesti. Tyhjiöenergia on havaittu fysikaalinen ilmiö, joka voidaan teoreettisesti johtaa näistä tyhjiön kvanttifluktuaatioista.

Välillä kuitenkin törmää väitteisiin, että näin ei olisikaan eli toinen johtuisi toisesta. Kaipaisinkin hieman "pidempää kättäpidempää" eli Wikiä painoarvoisempaa ja mahdollisesti tieteellisempää tietoa asian tiimoilta -- saa olla käsitykseni kumoavakin, jos on jäänyt ns. hapatus päälle.

Minkälaisiin väitteisiin olet törmännyt? Olisi helpompi kommentoida, jos tietäisi mitä ja missä on sanottu. Wikipedian artikkeleissa on referenssejä, mikä niissä epäilyttää? :)

Jos haluaa saada käsiinsä kunnollista tietoa ja ymmärrystä aiheesta, joutuu väistämättä perehtymään teoreettiseen fysiikkaan. Ikävä kyllä hommassa ei ole oikopolkuja. Popularisoinnit tästä aiheesta ovat parhaimmillaankin vain viihdyttäviä analogioita.

Tässä tuore katsaus Casimirin ilmiöön, joka on siis yksi tyhjiöenergian ilmenemismuoto:

http://arxiv.org/abs/quant-ph/0609145v1

[tnjrp]

Minkälaisiin väitteisiin olet törmännyt? Olisi helpompi kommentoida, jos tietäisi mitä ja missä on sanottu

En nyt rupea käymiäni foorumeja erittelemään, mutta kuten olen jo sanonut jonkin kerran: olen kuullut sekä väitteen, että tyhjiön virtuaalihiukkasfluktuaatio johtuu tyhjiöenergiasta, että toisin päin. Siis nimenomaan toinen olisi seurausta toisesta eikä kyseessä olisi saman ilmiön eri tarkastelutapa. Sen verran uutta tietoa pitänee antaa, ettei kyseessä ole mikään kaavojen pyörittely, jolla tämä pyritään osoittamaan, vaan ihan sellainen maallikkotasoinen inttäminen.

Wikipedian artikkeleissa on referenssejä, mikä niissä epäilyttää?

Ei ne minua sinänsä epäilytäkään, mutta olisin mieluummin ollut kahlaamatta niitäkin kaikkia läpi löytääkseni sen hyvän selityksen antavan, kun olen jo lukenut toisenkin ruudullisen aihetta sivuavaa höpinää moista löytämättä. Ehkä se on hyväksyttävä, että tässä asiassa kaikki pitäisi tehdä itse.

Jos haluaa saada käsiinsä kunnollista tietoa ja ymmärrystä aiheesta, joutuu väistämättä perehtymään teoreettiseen fysiikkaan. Ikävä kyllä hommassa ei ole oikopolkuja. Popularisoinnit tästä aiheesta ovat parhaimmillaankin vain viihdyttäviä analogioita

Tämä on tietysti itsestään selvää, mutta kun ei tunnu niitä asian laitaan kantaa ottavia kovemman fysiikkan linkkejäkään noin vain löytyvän. Esimerkiksi tuo sinänsä ihan kiinnostava Casimir-ilmiölinkkisi taitaa unohtaa käsitellä tyhjiöenergiaa virtuaalihiukkasten näkökulmasta, noin äkkiä lukien. Tosin saatoinhan sen missata, pitää lukea myöhemmin tarkemmin.

[RJ]

... olen kuullut sekä väitteen, että tyhjiön virtuaalihiukkasfluktuaatio johtuu tyhjiöenergiasta, että toisin päin. Siis nimenomaan toinen olisi seurausta toisesta eikä kyseessä olisi saman ilmiön eri tarkastelutapa. Sen verran uutta tietoa pitänee antaa, ettei kyseessä ole mikään kaavojen pyörittely, jolla tämä pyritään osoittamaan, vaan ihan sellainen maallikkotasoinen inttäminen.

Ei kannata keskittyä termeihin, vaan kannattaa yrittää ymmärtää mitä tarkoitetaan. Esimerkiksi yksittäisenä sanana tyhjiöenergia voi viitata puhtaasti teoreettiseen käsitteeseen ("tyhjiöllä on energiaa", "tyhjiöenergia eli kosmologinen vakio Einsteinin kenttäyhtälössä saa maailmankaikkeuden laajenemaan kiihtyvästi"), tai tiettyihin havaittuihin ilmiöihin (esim. Casimirin voima). Kysyin mitä väiteittä asiasta on esitetty, koska ilman yksityiskohtaisempia kysymyksiä asiaan on mahdotonta vastata tarkasti. Yritän silti avata hommaa..

Virtuaaliset hiukkaset välittävät perusvuorovaikutuksia modernissa kvanttifysiikassa, ns. kvanttikenttäteorioissa. Näitä hiukkasia syntyy myös täydellisessä tyhjiössä, koska kvantitetulla kentällä on nollapiste-energiaa. Nollapiste-energia on perustavanlaatuinen asia kvanttifysiikassa, ja se tulee ilmi kvantitetun harmonisen värähtelijän käsittelyssä. Värähtelijän matalinkin energiataso sisältää hieman nollasta poikkeavan heilahdusenergian. (Klassisessa käsittelyssä värähtelijä voi olla täysin paikallaan ja heilahdusenergia tasan nolla.) Näin ollen tyhjiölläkin on teorian mukaan energiaa, joka voi näkyä erilaisia ilmiöinä. Tämän tyhjiön energian syy on nollpiste-energia, joka on puolestaan seurausta kvantitetuista voimakentistä.

Edelliseen suhtaudutaan tarvittaessa myös kriittisesti. Esimerkiksi Casimirin ilmiö, jota pidetään yleisesti todisteena tyhjiön poreilusta, voidaan laskea myös ilman porelevia virtuaalisia hiukkasia. Jotkut argumentoivat, että tämän vuoksi ilmiöllä ei ole todistusvoimaa tyhjiöfluktuaatioiden olemassaololle. Tässä törmätään oleelliseen asiaan luonnontieteissä. Periaatteessa mikään lasku tai havainto ei riitä todistamaan tiettyä teoriaa varmasti oikeaksi ja perimmäiseksi kuvaukseksi luonnosta. Teoriat voidaan ainostaan todeta varmasti vääriksi, jos ne eivät sovi yhteen havaintojen kanssa.

Mm. näissä artikkeleissa selitellään, miten virtuaalifotonit saavat aikaan voiman tyhjiössä:

http://focus.aps.org/story/v2/st28
http://www.helsinki.fi/~enqvist/artikkeli.dir/lambda.html
http://physicsworld.com/cws/article/print/9747


(Lisää tieteellistä tekstiä:

http://cfa-www.harvard.edu/~babb/casimir-bib.html
http://arxiv.org/abs/hep-th/0012062
http://arxiv.org/abs/hep-th/9901011
http://arxiv.org/abs/hep-th/0503158)

[tnjrp]

Uskoisin, että tuo Robertsin yhteenvetoartikkeli riittää vähintään tarpeeksi selkeän esityksen löytämiseen. Kiitän siitä ja en voi kuin ihmetellä, miksi se ei osunut hakuihini.

[Seppo Linnaluoto]

Hei!

Jos Wikipediassa mielestänne selitetään joku asia väärin, niin korjatkaa se! Sillä Wikipedia on täysin vapaasti muokattava tietosanakirja. Esim. kun minä luen Wikipediaa, ja huomaan siellä jotakin korjattavaa, niin teen sen! Se on erittäin helppoa ja yksinkertaista. Jos aikoo usein tehdä korjauksia, kannattaa rekisteröityä, mutta se ei ole ollenkaan välttämätöntä.

Seppo.Linnaluoto@ursa.fi

[RJ]

Populaaria blogia virtuaalihiukkasista:

http://www.tiede.fi/blog/2010/02/07/naennainen-todellisuus/

[mistral]

Luin Räsäsen blogia ja kysymyksiä heräsi. Jos ajatellaan mitä eroa on fotonilla ja virtuaalifotonilla, niin voiko ajatella, että fotoni siirtää energiaa mutta virtuaalifotoni toimii välittäjähiukkasena joka välittää vuorovaikutuksen?

[Kaizu]

Luin Räsäsen blogia ja kysymyksiä heräsi. Jos ajatellaan mitä eroa on fotonilla ja virtuaalifotonilla, niin voiko ajatella, että fotoni siirtää energiaa mutta virtuaalifotoni toimii välittäjähiukkasena joka välittää vuorovaikutuksen?

Toinen on näennäinen, kuviteltu ja toisen voi havaita. Olisikohan tuossa virtuaalihiukkasen määrittelyssä tarkentamisen varaa.
Jos kaikki hiukkaset joita ei voida suoraan havaita ovat virtuaalisia, on suurin osa maailmankaikkeudesta virtuaalista.
Elektronit voivat hylkiä toisiaan vaihtamalla ihan oikean fotonin, ei siihen tarvita ketään niitä kuvittelemaan. Asian ymmärtäminen ja mallintaminen sen sijaan tarvitsee vistuaalihiukkasia.
Itse olen ymmärtänyt että tyhjiöstä voi pompsahtaa esiin vaikka mitä kunhan se pysyy Heisenbergin epätarkkuuden takana piilossa. Tarkoittaa että mitä energisempi mörkö, sitä lyhyemmän ajan se saa olla olemassa. Hiukkas-antihiukkasparit saavat lisäaikaa siitä että kokonaisenergia on nolla. Sen sijaan yksittäinen hiukkanen jolla on energiaa vaikkapa lepomassana ei saa aikaa juuri ollenkaan.

Kaizu

[jussi_k_kojootti]

Luin Räsäsen blogia ja kysymyksiä heräsi. Jos ajatellaan mitä eroa on fotonilla ja virtuaalifotonilla, niin voiko ajatella, että fotoni siirtää energiaa mutta virtuaalifotoni toimii välittäjähiukkasena joka välittää vuorovaikutuksen?

Virtuaalifotonit määritellään kvanttielektrodynamiikassa, joten niistä puhuttaessa myös fotoneille on käytettävä kvanttielektrodynamiikan määritelmää: fotoni on sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen.  Vuorovaikutukset puolestaan ilmenevät vuorovaikuttavien kappaleiden välisinä voimina -- ja voima taas on läheisessä (matemaattisessa) suhteessa potentiaalienergiaan.

En tiedä mihin tarkalleen ottaen viittaat "energian siirtämisellä", mutta ylläolevaan viitaten sanoisin että "energian siirtäminen" ja "vuorovaikutuksen välittäminen" ovat puhekielen tarkuudella yksi ja sama asia.  Voitaisiin sanoa myös, että "fotonit kuljettavat vuorovaikutuksen", tai että "fotonit välittävät energiaa".

Fotonin ja virtuaalifotonin ero on paljon yksinkertaisempi, sillä se on määritelmä:  fotoneita voimme havaita suoraan, mutta virtuaalifotoneita vain välillisesti eli teorian (täsmällisesti sanottuna kvanttielektrodynamiikan) viitekehyksessä.  Mikäli tätä eroa ei olisi, ei virtuaali-etuliitettä olisi koskaan tarvinnut ottaa käyttöön.  Virtuaalifotonit eivät koskaan osu silmiisi tai CCD-kennolle (sellaiselta virtuaalifotonilta tippuisi -- MÄÄRITELMÄN mukaan, eikä mistään muusta syystä -- virtuaali-etuliite heti pois).

Edit (kaizun vastauksen inspiroimana): välillinen, epäsuora havaitseminen ei kuitenkaan tee virtuaalifotoneista yhtään vähemmän todellisia, tai enemmän kuvitteellisia, kuin fotoneista (siis edelleenkin QEDin viitekehyksessä).  Kyse on samasta asiasta kuin tähdissä: emme ole vielä havainneet yhden ainokaisen tähden, aurinko mukaan lukien, ytimen lämpötilaa suoraan, mutta tulkitsemalla suorat havainnot tähtien pintalämpötilasta sopivan teorian viitekehyksessä olemme saaneet välillisesti tietoa myös ytimien lämpötilasta.  Toisin sanoen, olemme tehneet tähtien ytimien lämpötiloista epäsuoria havaintoja.

Tulikohan taas puhuttua sivu suun ... jos vaikka ei niin tautologiaan ainakin nojataan jo raskaasti.  Plääh :-)

[tnjrp]

Kuten ketjun vanhemassa osassa on puhuttu, virtuaalihiukkaisilla mallinnetaan tiettyjä ilmiöitä, joita voidaan useissa tapaukseissa mallintaa myös muilla tavoin. Virtuaalihiukkasen ja "oikean" hiukkasen keskeisin ero on, että virtuaalihiukkaset voidaan havaita niiden tuottaman ilmiön kautta, muttei yksittäisinä hiukkasina. Lopputuloksen kannalta on epäoleellista, ajatteleeko virtuaalihiukkasten olevan olemassa "oikeasti" (kuten monet fyysikot tekevätkin) vai ovatko ne pelkästään vuorovaikutusten mallinnustapoja (kuten jotkut fyysikot esittävät).

Asiasta lisää vaikkapa Matt McIrvinin kirjoittamasta Physics FAQ:n artikkelista:
http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Quantum/virtual_particles.html