Energia del vuoto - Vacuum energy

Energia del vuoto è uno sfondo di fondo di energia che esiste in uno spazio durante l'intero Universo . L'energia del vuoto è un caso speciale di energia di punto zero che si riferisce al vuoto quantistico .

Problema irrisolto in fisica :

Perché l' energia di punto zero del vuoto non causa una grande costante cosmologica ? Cosa lo cancella?

Gli effetti dell'energia del vuoto possono essere osservati sperimentalmente in vari fenomeni come l'emissione spontanea , l' effetto Casimir e il Lamb shift , e si pensa che influenzino il comportamento dell'Universo su scale cosmologiche . Utilizzando il limite superiore della costante cosmologica , l'energia del vuoto dello spazio libero è stata stimata essere 10 -9 joule (10 -2 erg ), o ~ 5 GeV per metro cubo. Tuttavia, nell'elettrodinamica quantistica , la coerenza con il principio della covarianza di Lorentz e con l'ampiezza della costante di Planck suggeriscono un valore molto più grande di 10 113 joule per metro cubo. Questa enorme discrepanza è conosciuta come il problema della costante cosmologica .

Origine

La teoria dei campi quantistici afferma che tutti i campi fondamentali , come il campo elettromagnetico , devono essere quantizzati in ogni punto dello spazio. Un campo in fisica può essere immaginato come se lo spazio fosse pieno di sfere e molle vibranti interconnesse, e la forza del campo è come lo spostamento di una palla dalla sua posizione di riposo. La teoria richiede "vibrazioni" o, più precisamente, cambiamenti nella forza di tale campo per propagarsi secondo l' equazione d'onda appropriata per il particolare campo in questione. La seconda quantizzazione della teoria quantistica dei campi richiede che ciascuna di queste combinazioni sfera-molla sia quantizzata, cioè che l'intensità del campo sia quantizzata in ogni punto dello spazio. Canonicamente, se il campo in ogni punto dello spazio è un semplice oscillatore armonico , la sua quantizzazione pone un oscillatore armonico quantistico in ogni punto. Le eccitazioni del campo corrispondono alle particelle elementari della fisica delle particelle . Quindi, secondo la teoria, anche il vuoto ha una struttura molto complessa e tutti i calcoli della teoria quantistica dei campi devono essere fatti in relazione a questo modello del vuoto.

La teoria considera che il vuoto abbia implicitamente le stesse proprietà di una particella, come lo spin o la polarizzazione nel caso di luce , energia e così via. Secondo la teoria, la maggior parte di queste proprietà si annullano mediamente lasciando vuoto il vuoto nel senso letterale del termine. Un'eccezione importante, tuttavia, è l'energia del vuoto o il valore di aspettativa del vuoto dell'energia. La quantizzazione di un semplice oscillatore armonico richiede l'energia più bassa possibile, o energia di punto zero di un tale oscillatore per essere

Sommando su tutti i possibili oscillatori in tutti i punti dello spazio si ottiene una quantità infinita. Per rimuovere questa infinità, si può sostenere che solo le differenze di energia sono misurabili fisicamente, proprio come il concetto di energia potenziale è stato trattato per secoli nella meccanica classica . Questo argomento è alla base della teoria della rinormalizzazione . In tutti i calcoli pratici, è così che viene gestito l'infinito.

L'energia del vuoto può anche essere pensata in termini di particelle virtuali (note anche come fluttuazioni del vuoto) che vengono create e distrutte dal vuoto. Queste particelle vengono sempre create dal vuoto in coppie particella- antiparticella , che nella maggior parte dei casi si annichilano a vicenda e scompaiono. Tuttavia, queste particelle e antiparticelle possono interagire con altre prima di scomparire, un processo che può essere mappato utilizzando i diagrammi di Feynman . Nota che questo metodo di calcolo dell'energia del vuoto è matematicamente equivalente ad avere un oscillatore armonico quantistico in ogni punto e, quindi, soffre degli stessi problemi di rinormalizzazione.

Ulteriori contributi all'energia del vuoto provengono dalla rottura spontanea della simmetria nella teoria quantistica dei campi .

Implicazioni

L'energia del vuoto ha una serie di conseguenze. Nel 1948, i fisici olandesi Hendrik BG Casimir e Dirk Polder predissero l'esistenza di una minuscola forza attrattiva tra lastre di metallo ravvicinate a causa delle risonanze nell'energia del vuoto nello spazio tra di loro. Questo è ora noto come effetto Casimir e da allora è stato ampiamente verificato sperimentalmente. Si ritiene quindi che l'energia del vuoto sia "reale" nello stesso senso in cui sono reali oggetti concettuali più familiari come elettroni, campi magnetici, ecc. Tuttavia, da allora sono state proposte spiegazioni alternative per l'effetto Casimir.

Altre previsioni sono più difficili da verificare. Le fluttuazioni del vuoto sono sempre create come coppie particella-antiparticella. La creazione di queste particelle virtuali vicino all'orizzonte degli eventi di un buco nero è stata ipotizzata dal fisico Stephen Hawking come un meccanismo per l'eventuale "evaporazione" dei buchi neri . Se una delle coppie viene trascinata nel buco nero prima di questo, l'altra particella diventa "reale" e l'energia/massa viene essenzialmente irradiata nello spazio dal buco nero. Questa perdita è cumulativa e potrebbe portare alla scomparsa del buco nero nel tempo. Il tempo richiesto dipende dalla massa del buco nero (le equazioni indicano che più piccolo è il buco nero, più rapidamente evapora) ma potrebbe essere dell'ordine di 10 100 anni per buchi neri di grande massa solare.

L'energia del vuoto ha anche importanti conseguenze per la cosmologia fisica . La relatività generale predice che l'energia è equivalente alla massa, e quindi, se l'energia del vuoto è "davvero lì", dovrebbe esercitare una forza gravitazionale . In sostanza, ci si aspetta che un'energia del vuoto diversa da zero contribuisca alla costante cosmologica , che influenza l' espansione dell'universo . Nel caso particolare di energia del vuoto, relatività generale prevede che il campo gravitazionale è proporzionale a P + 3 p (dove ρ è la densità di massa di energia, e p è la pressione). Teoria quantistica del vuoto stabilisce inoltre che la pressione dell'energia del vuoto stato zero è sempre negativo e pari in grandezza a ρ . Quindi, il totale è ρ + 3 p = ρ − 3 ρ = −2 ρ , un valore negativo. Se infatti stato fondamentale vuoto ha non-zero energia, il calcolo implica un campo gravitazionale repulsivo, dando luogo ad accelerazione dell'espansione dell'universo ,. Tuttavia, l'energia del vuoto è matematicamente infinita senza rinormalizzazione , che si basa sul presupposto che possiamo misurare l'energia solo in senso relativo, il che non è vero se possiamo osservarla indirettamente tramite la costante cosmologica .

L'esistenza dell'energia del vuoto è talvolta usata anche come giustificazione teorica per la possibilità di macchine a energia libera. È stato sostenuto che a causa della simmetria rotta (in QED), l'energia libera non viola la conservazione dell'energia, poiché le leggi della termodinamica si applicano solo ai sistemi di equilibrio. Tuttavia, il consenso tra i fisici è che questo è sconosciuto poiché la natura dell'energia del vuoto rimane un problema irrisolto. In particolare, la seconda legge della termodinamica non è influenzata dall'esistenza dell'energia del vuoto.

Storia

Nel 1934, Georges Lemaître utilizzò un'insolita equazione di stato fluido perfetto per interpretare la costante cosmologica come dovuta all'energia del vuoto. Nel 1948, l' effetto Casimir ha fornito un metodo sperimentale per verificare l'esistenza dell'energia del vuoto; nel 1955, tuttavia, Evgeny Lifshitz offrì un'origine diversa per l'effetto Casimir. Nel 1957, Lee e Yang hanno dimostrato i concetti di simmetria rotta e violazione della parità , per i quali hanno vinto il premio Nobel. Nel 1973, Edward Tryon ha proposto l' ipotesi dell'universo a energia zero : che l'Universo possa essere una fluttuazione del vuoto quanto-meccanica su larga scala in cui l' energia di massa positiva è bilanciata dall'energia potenziale gravitazionale negativa . Durante gli anni '80, ci sono stati molti tentativi di mettere in relazione i campi che generano l'energia del vuoto con campi specifici previsti dai tentativi di una teoria della Grande unificazione e di utilizzare le osservazioni dell'Universo per confermare l'una o l'altra versione. Tuttavia, l'esatta natura delle particelle (o campi) che generano l'energia del vuoto, con una densità come quella richiesta dalla teoria dell'inflazione, rimane un mistero.

Energia del vuoto nella finzione

  • Il romanzo di Arthur C. Clarke The Songs of Distant Earth presenta un'astronave alimentata da una "pulsione quantistica" basata su aspetti di questa teoria.
  • Nella serie televisiva di fantascienza Stargate Atlantis , lo Zero Point Module (ZPM) è una fonte di energia che estrae l'energia del vuoto da un micro universo parallelo .
  • Il libro Star Trek: Deep Space Nine Technical Manual descrive il principio di funzionamento del cosiddetto siluro quantistico . In quest'arma immaginaria, viene utilizzata una reazione di antimateria per creare una membrana multidimensionale nel vuoto che rilascia più energia alla sua decomposizione di quella necessaria per produrla. L'energia mancante viene rimossa dal vuoto. Di solito nell'esplosione viene rilasciata circa il doppio dell'energia che corrisponderebbe all'iniziale annientamento della materia antimateria.

Guarda anche

Riferimenti

Articoli e riferimenti esterni