Negatywna energia - Negative energy
Energia ujemna to pojęcie używane w fizyce do wyjaśnienia natury niektórych pól , w tym pola grawitacyjnego i różnych efektów pola kwantowego .
W bardziej spekulacyjnych teoriach ujemna energia jest zaangażowana w podróże w czasie do przeszłości, tworzenie sztucznych tuneli czasoprzestrzennych , które mogą również umożliwiać podróże w czasie , rury Krasnikowa , napęd Alcubierre'a i potencjalnie inne typy napędów warp do podróży kosmicznych szybszych niż światło .
Grawitacyjna energia potencjalna
Dodatniemu przyciąganiu grawitacyjnemu między dwoma masywnymi obiektami towarzyszy ujemna ilość potencjału grawitacyjnego w polu, które je przyciąga. Gdy odległość między nimi zbliża się do nieskończoności, przyciąganie grawitacyjne zbliża się do zera od dodatniej strony osi liczb rzeczywistych, a potencjał grawitacyjny zbliża się do zera od strony ujemnej. Dlatego, gdy dwa masywne obiekty zbliżają się do siebie, ruch ten przyspiesza pod wpływem grawitacji powodując wzrost (dodatniej) energii kinetycznej układu oraz o taką samą wielkość (ujemnej) grawitacyjnej energii potencjalnej tego obiektu. Dzieje się tak, ponieważ prawo zachowania energii wymaga, aby energia netto systemu nie uległa zmianie. Energia potencjalna grawitacji jest rodzajem energii wiążącej.
Wszechświat , w którym dominuje pozytywne energii w końcu zapaść w „ Big Crunch ”, podczas gdy „otwarte” wszechświat, w którym dominuje negatywnych energii będą albo rozszerzać w nieskończoność lub ostatecznie rozpadają się w „ wielkim rip ”. W zeroenergetycznym modelu wszechświata ("płaskim" lub "euklidesowym"), całkowita ilość energii we wszechświecie wynosi dokładnie zero : ilość dodatniej energii w postaci materii jest dokładnie równoważona przez ujemną energię w postaci od ciężkości . (Nie jest jasne, który z tych modeli, jeśli w ogóle, dokładnie opisuje rzeczywisty wszechświat).
Efekty pola kwantowego
Ujemne energie i ujemna gęstość energii są zgodne z kwantową teorią pola .
Cząstki wirtualne
W teorii kwantowej zasada nieoznaczoności pozwala na wypełnienie próżni kosmicznej wirtualnymi parami cząstka-antycząstka, które pojawiają się spontanicznie i istnieją tylko przez krótki czas, po czym zazwyczaj ponownie anihilują. Niektóre z tych wirtualnych cząstek mogą mieć ujemną energię. Ich zachowanie odgrywa rolę w kilku ważnych zjawiskach, które opisano poniżej.
efekt Kazimierza
W efekcie Casimira dwie płaskie płytki umieszczone bardzo blisko siebie ograniczają długości fal kwantów, które mogą istnieć między nimi. To z kolei ogranicza rodzaje, a tym samym liczbę i gęstość par wirtualnych cząstek, które mogą powstawać w próżni i mogą skutkować ujemną gęstością energii. Ponieważ to ograniczenie nie istnieje lub jest znacznie mniej istotne po przeciwnych stronach płyt, siły na zewnątrz płyt są większe niż siły pomiędzy płytami. Powoduje to, że płyty wydają się ciągnąć na siebie, co zostało zmierzone. Dokładniej, energia próżni wywoływana przez pary wirtualnych cząstek popycha płyty do siebie, a energia próżni między płytami jest zbyt mała, aby zniwelować ten efekt, ponieważ mniej wirtualnych cząstek może istnieć na jednostkę objętości między płytami niż może istnieć poza nimi.
Ściśnięte światło
Możliwe jest ustawienie wielu wiązek światła laserowego tak, aby destrukcyjna interferencja kwantowa tłumiła fluktuacje próżni . Taki stan ściśniętej próżni wiąże się z ujemną energią. Powtarzalny kształt fali światła prowadzi do naprzemiennych obszarów energii dodatniej i ujemnej.
Morze Diraca
Zgodnie z teorią morza Diraca , opracowaną przez Paula Diraca w 1930 roku, próżnia kosmiczna jest pełna ujemnej energii. Teoria ta została opracowana w celu wyjaśnienia anomalii stanów kwantowych o ujemnej energii przewidywanych przez równanie Diraca .
Teoria morza Diraca poprawnie przewidziała istnienie antymaterii na dwa lata przed odkryciem pozytonu w 1932 roku przez Carla Andersona . Jednak teoria morza Diraca traktuje antymaterię jako dziurę, w której nie ma cząstki, a nie jako prawdziwą cząstkę. Kwantowa teoria pola (QFT), opracowana w latach 30. XX wieku, zajmuje się antymaterią w sposób, który traktuje antymaterię jako złożoną z rzeczywistych cząstek, a nie jako nieobecną, oraz traktuje próżnię jako pozbawioną cząstek, a nie pełną cząstek o ujemnej energii jak w teorii morza Diraca.
Kwantowa teoria pola wyparła teorię morza Diraca jako bardziej popularne wyjaśnienie tych aspektów fizyki. Zarówno teoria morza Diraca, jak i kwantowa teoria pola są równoważne za pomocą transformacji Bogoliubowa , więc morze Diraca można postrzegać jako alternatywne sformułowanie kwantowej teorii pola, a zatem jest z nią zgodne.
Zjawiska grawitacji kwantowej
Intensywne pola grawitacyjne wokół czarnych dziur tworzą zjawiska, które przypisuje się zarówno efektom grawitacyjnym, jak i kwantowym. W takich sytuacjach wektor zabijania cząstki może być tak obrócony, że jego energia staje się ujemna.
Promieniowanie Hawkinga
Cząstki wirtualne mogą istnieć przez krótki czas. Kiedy para takich cząstek pojawi się obok horyzontu zdarzeń czarnej dziury, jedna z nich może zostać wciągnięta. Powoduje to obrót wektora zabijania tak, że jego energia staje się ujemna, a para nie ma energii netto. To pozwala im stać się prawdziwymi, a cząstka dodatnia ucieka jako promieniowanie Hawkinga , podczas gdy cząstka o energii ujemnej zmniejsza energię netto czarnej dziury. W ten sposób czarna dziura może powoli wyparowywać.
Ergosfera i kwazary z czarną dziurą
W przypadku obracającej się czarnej dziury rotacja tworzy ergosferę poza horyzontem zdarzeń. Ponieważ ergosfera znajduje się poza horyzontem zdarzeń, cząstki mogą z niej uciec. W ergosferze wektor zabijania cząstki może być obracany, aby nadać jej ujemną energię. Cząstka o ujemnej energii przechodzi następnie przez horyzont zdarzeń do czarnej dziury, przy czym prawo zachowania energii wymaga, aby taka sama ilość dodatniej energii uciekła. Uważa się, że w ten sposób generowane jest intensywne promieniowanie emitowane przez kwazary .
Sugestie spekulacyjne
Tunele czasoprzestrzenne
Energia ujemna pojawia się w spekulatywnej teorii tuneli czasoprzestrzennych , gdzie potrzebna jest do utrzymania tunelu otwartego. Tunel czasoprzestrzenny łączy bezpośrednio dwa miejsca, które mogą być rozdzielone arbitralnie daleko od siebie zarówno w czasie, jak i przestrzeni, i w zasadzie umożliwia niemal natychmiastowe przemieszczanie się między nimi. Jednak fizycy, tacy jak Roger Penrose, uważają takie idee za nierealne, bardziej fikcję niż spekulacje.
Napęd warp
Zasugerowano teoretyczną zasadę napędu warp szybszego niż światło (FTL) dla statków kosmicznych, wykorzystującego ujemną energię. Napęd Alcubierre'a zawiera rozwiązanie równań ogólnej teorii względności Einsteina , w którym bąbel czasoprzestrzeni jest szybko przemieszczany poprzez rozszerzanie przestrzeni za nią i kurczenie się przestrzeni przed nią.
Zobacz też
Bibliografia
Notatki w tekście
Bibliografia
- Lawrence H. Ford i Thomas A. Roman; „Ujemna energia, tunele czasoprzestrzenne i napęd warp”, Scientific American styczeń 2000, 282 , strony 46-53.
- Rogera Penrose'a; Droga do rzeczywistości , ppbk, Vintage, 2005. Rozdział 30: Rola grawitacji w redukcji stanu kwantowego.