Energia punktu zerowego

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Energia punktu zerowego (inaczej energia próżni) to w mechanice kwantowej najniższa możliwa energia jaką może przyjąć dowolny układ kwantowy. Z definicji wszystkie układy kwantowe posiadają energię punktu zerowego.

Termin ten pojawił się, gdy obliczenia wykazały, że modelowy, punktowy kwantowy oscylator harmoniczny musi posiadać pewną minimalną energię, nawet jeśli nie opisuje żadnego zjawiska związanego z transportem masy lub energii. W terminach kwantowej teorii pola oznacza to, że pewna minimalna energia musi być przypisana do każdego punktu próżni. Tę energię nazywa się często w uproszczeniu energią próżni. W kosmologii przyjmuje się, że wartość energii próżni decyduje o wartości stałej kosmologicznej.

W 1900 roku Max Planck wyprowadził wzór na energię pojedynczego emitera energii:

\epsilon = \frac{h\nu}{ e^{\frac{h\nu}{kT}}-1}

gdzie: hstała Plancka, νczęstotliwość, kstała Boltzmanna, Ttemperatura absolutna.

W 1913 roku, wychodząc z powyższego wzoru, Albert Einstein i Otto Stern zasugerowali po raz pierwszy możliwość istnienia energii, którą mają wszystkie oscylatory kwantowe w temperaturze zera bezwzględnego[1]. Początkowo nadano jej nazwę residual energy, a następnie Nullpunktenergie (z niemieckiego). Ostatecznie przyjęto termin zero-point energy (energia punktu zerowego). Naukowcy przeprowadzili analizę ciekłego wodoru, który pomimo bardzo niskiej temperatury nie zamarza do postaci ciała stałego. Na podstawie znajomości ciepła właściwego wodoru w temperaturach bliskich 0 K doszli do wniosku, że energię atomu wodoru najlepiej wyraża wzór:

\epsilon = \frac{h\nu}{ e^{\frac{h\nu}{kT}}-1} + \frac{h\nu}{2}

Z równania tego, po ekstrapolacji do temperatury 0 K, wynika że w temperaturze zera bezwzględnego energia wynosi ½.

Istnienie energii próżni zostało potwierdzone eksperymentalnie przez zaobserwowanie efektu Casimira. Innymi doświadczalnymi dowodami są: emisja spontaniczna światła (fotonów) przez atomy i nukleony, przesunięcie Lamba.

Ze względu na to, że z obliczeń wywodzących się z różnych kwantowych teorii pola uzyskuje się rozbieżne wartości energii próżni i nie ma aktualnie możliwości bezpośredniego jej zmierzenia, jej rzeczywista wartość jest aktualnie nieznana.

Zagadnienie, dlaczego stała kosmologiczna ma znacznie mniejszą wartość niż to wynika z obliczeń energii próżni, stanowi nierozwiązany problem współczesnej fizyki, nad którym pracuje wielu fizyków kwantowych.

Istnienie energii próżni stanowi kanwę dla rozmaitych urządzeń opisywanych w twórczości science fiction i spotykanych w grach komputerowych. Na wykorzystaniu energii próżni opiera się też kilkanaście koncepcji z ruchu wynalazczego zwanego wolną energią.

Rozpad próżni[edytuj | edytuj kod]

Teoria strun sugeruje, że "energia próżni" naszego Wszechświata może nie być "prawdziwą" energią próżni absolutnego Wszechświata. W takim wypadku mówi się o próżni fałszywej. Mogą również istnieć inne wszechświaty o innej wartości energii próżni i, co za tym idzie, innych prawach fizyki. Energia próżni może spaść ze swojego lokalnego minimum do innego minimum i mówi się wtedy o rozpadzie próżni. Taki rozpad może zajść samoistnie dzięki fluktuacjom kwantowym lub może zostać wymuszony przez bardzo wysoką energię. Według teorii strun, Wielki Wybuch był właśnie rozpadem próżni w innym wcześniejszym Wszechświecie.

Rozpad próżni występuje też w teorii inflacji. Według niej, nasz Wszechświat miał się narodzić z polem Higgsa w stanie próżni fałszywej. Pole to następnie rozpadło się, co skutkowało wykładniczą ekspansją Wszechświata oraz uzyskaniem masy przez niektóre cząstki elementarne.

Przypisy

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]