Kvantinis vakuumas: mažesnė už nulį energija
|
©CC0 Public Domain Energija yra tokia esybė, kuri visada teigiama – ar bent jau taip sako mūsų intuicija. Iš apibrėžto tūrio pašalinus visas daleles, viską, kas gali pernešti energiją, atrodytų pasiekta riba. Ar tikrai? Ar galima išpešti energijos netgi iš tuščios erdvės? Kvantinė fizika, ne kartą ir ne du prikišamai parodžiusi, kad ji su mūsų intuicija nedraugauja, manierų nekeičia ir šiuo atveju. Tam tikromis sąlygomis įmanoma ir neigiama energija, bent jau tam tikrame erdvės ir laiko diapazone. Tarptautinė tyrėjų komanda iš TU Vienna, Université libre de Bruxelles (Belgija) ir IIT Kanpur (Indija) būtent ir tyrė šios neigiamos energijos aprėptį. Pasirodo, kad ir kokioje kvantinėje teorijoje, kad kokios simetrijos visatoje, visada yra tam tikri energijos „skolinimosi“ apribojimai. Lokaliai ši energija gali būti mažesnė už nulį, bet kaip ir iš banko skolinantis pinigus, galiausiai ši energija privalo būti grąžinta atgal.
Atstumianti gravitacija„Bendrojoje reliatyvumo teorijoje paprastai tariame, kad energija visada ir visur Visatoje yra didesnė už nulį,“ sako Prof. Daniel Grumiller Teorinės fizikos instituto prie TU Wien (Viena). Iš čia kyla labai svarbi pasekmė gravitacijai: energija yra ekvivalenti masei pagal formulę E=mc². Tad, neigiama energija reikštų neigiamą masę. Teigiamos masės traukia viena kitą, tačiau jei masė neigiama, gravitacija staiga galėtų tapti stumiančia jėga. Kvantinė teorija prieš neigiamą energiją iš principo nėra nusiteikusi. „Remiantis kvantine fizika, galima iš vakuumo tam tikroje vietoje pasiskolinti energijos, kaip pinigų iš banko,“ sako Danielis Grumilleris. „Ilgai nežinojome apie tokio energijos kredito maksimalią ribą ir kokios įmanomos palūkanos. Buvo pateikiamos įvairios šių „palūkanų“ (literatūroje vadinamų „kvantine nauda“) vertės, tačiau konsensusas nebuvo pasiektas.“ 2017 metais įrodyta vadinamoji „kvantinės nulinės energijos sąlyga“ (angl. quantum null energy condition – QNEC), nubrėžia tam tikras energijos „skolinimosi“ ribas, susiedama reliatyvumo teoriją ir kvantinę fiziką: leidžiama mažesnė už nulį energija, bet tik tam tikrame diapazone ir tik tam tikram laikui. Kiek energijos galima pasiskolinti iš vakuumo, neviršijant energijos kredito limito, priklauso nuo kvantinės fizikos dydžio, vadinamosios susietumo entropijos (entanglement entropy). „Susietumo entropija tam tikra prasme yra matas, rodantis, kaip stipriai sistemos elgseną veikia kvantinė fizika,“ aiškina Danielis Grumilleris. „Jei kvantinis susietumas tam tikrame erdvės taške vaidina kritinį vaidmenį, tarkime, greta juodosios bedugnės, tada neigiamos energijos srautas tam tikrą laiką gali vykti ir tame regione neigiamos energijos darosi įmanomos.“ Dabar Grumilleriui kartu su Max Riegler ir Pulastya Parekh šiuos skaičiavimus pavyko generalizuoti. Maxas Riegleris užbaigė savo disertaciją Danielio Grumillerio grupėje TU Wien ir dabar atlieka postdoktorantūros tyrimus Harvarde. Pulastya Parekh iš IIT Kanpure buvo Erwino Schrödingerio instituto ir TU Wien svečias. „Anksčiau būdavo remiamasi tik kvantinėmis teorijomis, kuriose remiamasi Specialiojo reliatyvumo simetrijomis. Bet mums pavyko parodyti, kad šis ryšys tarp neigiamos energijos ir kvantinio susietumo ryšys yra daug bendresnis reiškinys,“ pažymi Grumilleris. Energijos sąlygos, aiškiai draudžiančios begalinės energijos traukimą iš vakuumo, tinka labai skirtingoms kvantinėms teorijoms, nepriklausomai nuo simetrijų.
Energijos tvermės dėsnio apmauti nepavyksŽinoma, visai tai neturi nieko bendro su mistinėmis mašinomis, kuriomis energija neva gaunama iš nieko, kaip nepailstamai teigiama ezoteriniuose ratuose. „Faktas, kad gamtos dėsniai leidžia mažesnei už nulį energijai atsirasti tam tikroje vietoje tam tikrą laiąk, nereiškia, kad pažeidžiamas energijos tvermės dėsnis,“ pabrėžia Danielis Grumilleris. „Kad neigiama energija galėtų tekėti tam konkrečioje vietoje, greta turi tekėti ją kompensuojanti teigiama energija.“ Net jei reikalai pasidarė šiek tiek sudėtingesni, nei manyta, energijos iš nieko gauti neįmanoma, nors neigiama ji gali tapti. Naujojo tyrimo rezultatai neigiamą energiją griežtai apriboja, taip susiedama ją su esminėmis kvantinės mechanikos savybėmis.
▲
| ||||||
| ||||||