Kwantumfluctuaties

Kwantumfluctuaties zijn kortstondige fluctuaties in de waarden van fysieke grootheden die optreden in de grondtoestand van een kwantumsysteem. In de kwantumveldentheorie is het vacuüm geen leegte, maar een dynamisch veld met onzekere amplitudes en een niet-nul kantje energie. Dankzij de onzekerheidsrelatie tussen energie en tijd kunnen energieverschillen tijdelijk worden uitgeleend, waardoor kortstondige verschijnselen in het vacuüm voorkomen.

In quantumveldentheorie fluctueren velden zelfs in hun laagste energietoestand. Het vacuüm bevat voortdurend kortstondige excitaties en de aan- en afwezigheid daarvan wordt beschreven met virtuele deeltjes die voor korte tijd bestaan. Deze vacuumfluctuaties spelen een cruciale rol in vele processen en leveren deelberekeningen op in de interactie tussen velden en straling.

Voorbeelden van meetbare effecten die aan kwantumfluctuaties worden toegeschreven zijn onder meer het Casimir-effect, waarbij twee nabij elkaar geplaatste, ideale platen een aantrekkingskracht ondervinden door veranderingen in de vacuum-energie tussen de platen. Een ander voorbeeld is de Lamb-verschuiving, een kleine verschuiving in atoomenergie-niveaus als gevolg van interacties met vacuumfluctuaties. Ook spontane emissie van licht door atomen hangt samen met deze fluctuations.

Op grotere schaal leveren kwantumfluctuaties een rol in de kosmologie door nulpuntenenergie en het concept van donkere energie en de kosmologische constante. In deeltjesfysica beïnvloeden ze radiatieve correcties en worden ze meegenomen via renormalisatie. Virtuele deeltjes fungeren vooral als hulpmiddel bij berekeningen en analoge beschrijvingen van interacties.