Vácuo quântico

A natureza do vácuo

Os planetas, objetos e seres vivos são compostos principalmente de vácuo, mas o que é a natureza desse vácuo?
Embora a palavra "vácuo" é comumente usado, o vácuo é um conceito abstrato moderno, não é fácil de imaginar em uma área espacial.
O vácuo designa a ausência de matéria, onde não é nada, mais que a ausência de matéria é impossível encontrar no universo.
No laboratório, o vácuo é definida por um limite experimental, que é chamado o ultravácuo. O UHV é obtido quando se atinge a baixa pressão 10^-7 Pascal. Este espaço é criado com bombas de vácuo, mas este vácuo, ainda é preenchido com milhões de partículas por milímetro cúbico. No espaço próximo, que do nosso sistema solar, o vácuo contém milhões de partículas por metro cúbico, mesmo em profunda espaço entre as estrelas, o vácuo ainda contém vários milhares de partículas por m3, alguns prótons e alguns elétrons por metro cúbico.
Suponha que delineia neste m3 interestelar, um pedaço de vácuo sem partícula, obtemos um vácuo perfeito. Bem, não, esse vácuo corresponde ao vácuo clássico do século 19, um vácuo sem matéria.
O conceito de vácuo do século 20 é altamente chateado porque para as teorias da relatividade e da física quântica, o vácuo não é vazio.
No exterior deste pedaço de espaço que imaginamos, fora do vácuo, existem prótons e elétrons em movimento, porque nada é estático no universo. Esses prótons e esses elétrons são a matéria, y a matéria, acime do zero absoluto, emite da radiação, ou seja, da luz.
O zero absoluto é a temperatura a mais baixa que pode existir no universo, mas esta temperatura teórica é inacessível pela matéria devido às suas propriedades quânticas. Sabemos que, de acordo com a física quântica, as partículas são objetos tanto corpuscular e tanto onda, além disso, esses objetos têm sempre um quantidade de movimento diferente de zero, é o princípio da incerteza de Werner Heisenberg (1901 − 1976).
A radiação emitida pela matéria é espalhado por todo o espaço em todas as direções, as ondas vão cruzar o nosso pedaço de espaço vazio.
Na realidade, o universo é cheio de radiação, a do Big Bang, que tem uma temperatura muito baixa além disso 2,728 K (-270,424 °C), mas também todos os outros radiações emitidas por os objetos celestes e, portanto, todas a matéria ordinária do universo.
Sabemos a partir de Max Planck (1858 − 1947) e sua famosa fórmula E=hv que a radiação é energia pura.

E Albert Einstein (1879 − 1955), com sua teoria da relatividade e sua sua famosa fórmula E=mc2 diz-nos que a energia pode se transformar em matéria e a matéria em energia. Mais uma vez, graças à física quântica e as relações de incerteza, é possível ver no nosso pedaço de vácuo flutuações de energia, porque a variação de energia multiplicado pelo intervalo de tempo de existência das partículas deve ser inferior a constante de Planck (ΔE x Δt < h) onde h≈4,134335 9×10^-15 eV.s.
Estas flutuações de energia, portanto, depende da duração da observação. Em outras palavras, se você olhais o vácuo em períodos curtos, o femtosegundo (10⁻¹⁵ s), attosegundo (10⁻¹⁸ s), zeptosegundo (10⁻²¹ s), yoctosegundo (10⁻²⁴ s), pode ver em períodos cada vez curtos além disso, flutuações de energia cada vez maior, mais Δt é pequeno e mais ΔE é maior.
Por exemplo, o bóson de Higgs, que pertence ao vácuo, tem um periodo de vida de 10⁻²² s.
Assim, no nosso pedaço de vácuo, a partir do nada, parece da matéria (ΔE) et E=mc². Estes elétrons, estes prótons e essas outras partículas e antipartículas são ainda mais pesado do que Δt é pequena. Estas partículas de matéria e antimatéria são virtuais porque elas desaparecem imediatamente (Δt). Isso viola a lei da conservação da energia, porque há matéria que creia-se e desaparece espontaneamente, como a lei da conservação da energia nos proíbe (ΔE/Δt=0). No entanto, isso é o que nós aprendemos a física quântica.
As partículas reais de matéria ou energia, assim propagam-se neste no quase-ambiente borbulhante, sensível às partículas materiais que podem transferir sua energia. Isto é o que os cientistas causam no um colisionador.
Em um colisionador, quando um elétron e um pósitron se encontram, elas se aniquilam e transferem sua energia ao formigamento do vácuo, esta energia cria partículas materiais reais que saem do vácuo e aparecem alguns "momentos" em telas de computadores (ver foto CERN).
Vivemos em um enorme vácuo de estrutura complexa, incluindo todas as grandezas tem valores médios nulos. Mas este vácuo tem uma energia considerável, esta energia de vácuo é maior do que a energia da matéria ordinária. Ela poderia ter desempenhado um papel no desenvolvimento de nosso verdadeiro universo e, em seguida, em sua inflação.

« Visualiza o vácuo! você vai encontrar tesouros ».
Jules Renard (1864 − 1910).

Imagem : O formigamento de vácuo no qual devemos reconhecer a partícula de Higgs. Sabemos a partir Max Planck (1858 - 1947) e sua famosa fórmula E=hv que a radiação é energia pura. Além disso, desde Albert Einstein (1879 - 1955) ea relatividade especial, a energia pode ser transformada em matéria ea matéria em energia. O vácuo assim fervilhariam de partículas durante tempos muitos curtos. As partículas de matéria ou de energia propagam-se neste no quase-ambiente borbulhante.
Radiação preenchem todo o universo, o vácuo tem uma estrutura complexa, incluindo todas as grandezas tem valores médios nulos. Na imagem vê uma colisão no campo de Higgs, prótons com íons de chumbo no detector ALICE. Foto tomada durante o período de experiência em setembro de 2012 (Imagem: CERN).

O vácuo para um novo conceito

O universo inteiro, o nosso pedaço de vácuo e até mesmo dentro de átomos, fervilhariam de partículas e antipartículas virtuais que existiriam por muito pouco tempo e renovariam-se constantemente.
Onde as partículas reais viajam no vácuo, ou seja em toda parte no universo, flutuações quânticas do vácuo criam sua massa. O vácuo vem a ele, viscoso, que é este viscosidade do vácuo que dão a massa às partículas.
As partículas do vácuo após arrefecimento a 2,7 K, hoje, são ordenadas como os spins dos átomos de um campo magnético, todas eles são polarizadas numa direcção determinada, o que dá uma certa viscosidade ao vácuo.
Este viscosidade do vácuo impõe massa às partículas, este campo é o campo de Higgs. É possível que no início do universo, as partículas de Higgs foram desordenadas, então todas as partículas de materia tinham massa zero, mas com a inflação e resfriamento do universo, as partículas de Higgs tornam-se polarizadas, offertando uma resistência a aceleração de partículas elementares, mesmo ao neutrino. Em outras palavras, o campo de Higgs desacelera quarks que compõem os objetos que levantamos e movemos.
Em resumo, a massa inercial de uma partícula resulta de su grau de interacção com o campo de Higgs. O bóson de Higgs é uma partícula que é extraída a partir do vácuo causando colisões de alta energia.

Em 1934, Georges Lemaitre (1894 − 1966) apontam que o efeito da constante cosmológica além disso relatividade foi semelhante à da densidade de energia do vácuo quântico. Em outras palavras, para que a energia do vácuo sê compatível com a relatividade é necessário que este impõe uma pressão negativa, exactamente oposta à sua densidade de energia. Esta pressão negativa é uma força repulsiva que explicaria a aceleração da expansão do Universo, vista em toda parte, precisamente desde 1998. Infelizmente, o efeito desta energia quântica do vácuo, é infinito, cerca de 10¹²⁰ vezes maior do que o valor observado.
A aceleração da expansão do Universo está actualmente atribuída a uma misteriosa « energia escura ».
Para dar conta de todas as observações, temos recorer para a matéria escura, a energia do vácuo, a energia escura, a inflação, mas nada funciona com nossas teorias e isso obriga-nos a imaginar conceitos exóticos.
É possível que nós sejamos na véspera de uma grande reviravolta na física. Atualmente nossas teorias estão enfrentando uma parede como no início do século 20, quando somos passados da mecânica clássica à relatividade e da física clássica a física quântica.
« É absolutamente possível que para além do que os nossos sentidos percebem, se escondem mundos insuspeitos. » Albert Einstein(1879-1955)

Imagem : carta do fundo do céu visto pelo satélite Planck. Vivemos em um enorme vácuo a estrutura complexa, incluindo todas as grandezas tem valores médios nulos. Mas este vácuo tem uma energia considerável, esta energia do vácuo é maior do que a energia da matéria ordinária. Ela poderia ter desempenhado um papel no desenvolvimento de nosso verdadeiro universo e, em seguida, em sua inflação. créditos : ESA- collaboration Planck-HFI