Strona głównaPytania → Własności próżni: gęstość energii, cząstki...

Własności próżni: gęstość energii, cząstki wirtualne, promieniowanie Hawkinga

Pytanie

Pyta Mariusz

Moje pytania dotyczą próżni, która zapewne, podobnie jak czarne dziury i w przeciwieństwie do tego, co pierwotnie zakładano, jest źródłem promieniowania.
1. Jaka jest gęstość energii próżni?
2. Na czym polega oddziaływanie próżni z energią pochodzącą z zewnętrznych źródeł, np. z falami elektromagnetycznymi?
3. Czy w próżni występuje niezaburzone i zaburzone pole elektromagnetyczne?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Okolice horyzontu czarnej dziury opisywane są przez próżniowe równania Einsteina, tj. równania opisujące zakrzywioną czasoprzestrzeń, w której nie występuje żadna materia. Próżnia w okolicy horyzontu czarnej dziury jest więc źródłem promieniowania Hawkinga.

Czy próżnia może być w podobny sposób źródłem promieniowania w jednorodnym rozszerzającym się Wszechświecie? Odpowiedź na to pytanie jest negatywna. Dla uproszczenia zaniedbajmy istnienie materii (zwykłej, ciemnej), i rozważmy rozwiązanie de Sittera, w którym jedyną przyczyną rozszerzania się Wszechświata jest niezerowa gęstość energii próżni. Dopuśćmy występowanie promieniowania, ale tylko w małej ilości, aby można było zaniedbać jego wpływ na pole grawitacyjne (zakrzywienie czasoprzestrzeni). W takim Wszechświecie ilość rzeczywistych fotonów pozostaje stała, tj. żadne promieniowanie nie jest generowane.

Co to jest gęstość energii próżni? Jest ona sumą wkładów od tzw. stałej kosmologicznej (wyjściowego parametru teorii) oraz wkładów od pól kwantowych, które przyjmują w próżni niezerowe wartości oczekiwane (np. pola Higgsa). Kwestią dyskusyjną jest uwzględnianie wkładu od tzw. energii drgań zerowych wszystkich występujących w przyrodzie pól kwantowych. Z obserwacji rozszerzania się Wszechświata wiemy, że wszystkie te wkłady po dodaniu ich do siebie dają następującą gęstość energii próżni

ad 1. $\rho_{\rm vac} \simeq 4 {\rm keV}/{\rm cm}^3$,

gdzie $1\,{\rm keV}$ jest energią kinetyczną elektronu rozpędzonego w polu elektrycznym o różnicy potencjałów $1000\,{\rm V}$. Sam wkład od pola Higgsa do $\rho_{\rm vac}$ jest o kilkadziesiąt rzędów wielkości większy. Musi więc występować ogromne kasowanie między różnymi wkładami. Pytanie dlaczego tak się dzieje jest jedną z największych nierozwiązanych zagadek w fizyce oddziaływań fundamentalnych.

ad 2. Fale elektromagnetyczne (np. dwa wysokoenergetyczne fotony gamma) mogą wykreować z próżni parę elektron-pozyton. To jest najprostszy znany przykład oddziaływania próżni z falami elektromagnetycznymi.

ad 3. Nie wiem jak mam rozumieć pojęcia „niezaburzone” i „zaburzone” w części trzeciej pytania. W próżni występują kwantowe fluktuacje pola elektromagnetycznego nazywane czasem wirtualnymi fotonami. To właśnie z nich powstaje rzeczywiste promieniowanie Hawkinga na horyzoncie czarnej dziury.