Τι είναι πραγματικά η ενέργεια κενού;

Θα μπορούσε η ενέργεια του κενού να παρέχει άπειρη ισχύ και να επιτρέψει στους ανθρώπους να ταξιδέψουν στα πιο απομακρυσμένα σημεία του διαστήματος; Αλλάζει γρήγορα το σχήμα και το μέγεθος του σύμπαντος; Αυτές οι ερωτήσεις είναι μόνο η κορυφή του παγόβουνου όταν πρόκειται για την ενέργεια του κενού και τον μυστηριώδη κόσμο της σκοτεινής ενέργειας. Είναι ένα από τα μεγαλύτερα άλυτα μυστήρια της σύγχρονης φυσικής.

Πολλές θεωρίες κυκλοφορούν στο διαδίκτυο σχετικά με το ότι είναι η απόλυτη πηγή ενέργειας ή μια τεχνολογία πρόωσης πυραύλων στο μακρινό μέλλον. Θεωρητικά, θα μπορούσε ακόμη και να προκαλεί τεράστια κοσμολογική διαστολή και να αλλάζει την καμπυλότητα του σύμπαντος. Ωστόσο, είναι δύσκολο να καταλάβουμε ποια είναι η ενέργεια του κενού μέσα από όλο αυτό το θόρυβο. Ξεκινά με τις εξισώσεις του Αϊνστάιν για τη γενική σχετικότητα.

Η κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν

Οι διάσημες εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν περιλαμβάνουν τον συντελεστή λάμδα, τον οποίο χρησιμοποίησε για να αναπαραστήσει μια θεωρητική κοσμολογική σταθερά. Αυτή η κοσμολογική σταθερά είναι η ενεργειακή πυκνότητα του κενού χώρου - το κενό. Εκείνη την εποχή, ο Αϊνστάιν και οι σύγχρονοί του εργάζονταν πάνω στην κύρια θεωρία ότι το σύμπαν είναι στατικό, ακριβώς όπως μια κούπα που κάθεται ακίνητη σε ένα τραπέζι. Οι καθαρές δυνάμεις στο σύμπαν ήταν μηδενικές, έτσι αυτή η κοσμολογική σταθερά μηδενίστηκε.

Ωστόσο, ο Αϊνστάιν τελικά αφαίρεσε την κοσμολογική σταθερά από την εξίσωσή του. Οι κορυφαίες θεωρίες στράφηκαν προς την ιδέα ότι το σύμπαν διαστέλλεται. Ο Αμερικανός αστρονόμος Έντουιν Χαμπλ επιβεβαίωσε αυτή την ιδέα το 1929, η οποία κίνησε τη διαμάχη γύρω από την κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν. Εάν το σύμπαν αναπτύσσεται με επιταχυνόμενο ρυθμό, η κοσμολογική σταθερά δεν μπορεί να είναι μηδέν επειδή απαιτείται μη μηδενική καθαρή δύναμη για την επιτάχυνση.

Αυτό οδήγησε τους φυσικούς στο προφανές επόμενο ερώτημα:Αν η κοσμολογική σταθερά δεν είναι μηδέν, ποια είναι; Αυτό ισχύει τόσο σε μαθηματικό όσο και σε εννοιολογικό επίπεδο. Η κοσμολογική σταθερά πρέπει να υπάρχει, αλλά η φύση και η αξία της ήταν ένα μυστήριο.

Κβαντική Θεωρία Πεδίου και Ενέργεια Κενού

Η κβαντική θεωρία πεδίου (QFT) γεφυρώνει την κλασική φυσική, την κβαντική μηχανική και την ειδική σχετικότητα για να δημιουργήσει ένα μοντέλο συμπεριφοράς υποατομικών σωματιδίων. Υπάρχουν πολλά διαφορετικά κβαντικά πεδία, ένα για κάθε θεμελιώδες σωματίδιο, όπως τα ηλεκτρόνια ή τα διάφορα κουάρκ. Τα οιονεί σωματίδια είναι μια ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα θέση της θεωρητικής φυσικής που πηγάζει από την κβαντική θεωρία πεδίου.

Στο QFT, ο κενός χώρος είναι βασικά μια κατάσταση κενού γεμάτη από αυτά τα κβαντικά πεδία. Στο χαμηλότερο επίπεδο ενεργειακής τους πυκνότητας, όλα αυτά τα πεδία παρουσιάζουν διακυμάνσεις ή διεγέρσεις. Αυτό μπορεί να οφείλεται σε ενέργεια σημείου μηδέν ή κενού. Στην πραγματικότητα, συχνά θεωρείται ως εικονικά σωματίδια που εμφανίζονται και εξαφανίζονται στο κενό. Αυτά τα σωματίδια δημιουργούνται δίπλα σε αντισωματίδια, τα οποία αναπόφευκτα τα καταστρέφουν, αν και μπορούν να αλληλεπιδράσουν με φυσικά πριν εξαφανιστούν. Αυτό είναι που έχουν σχεδιαστεί για να χαρτογραφούν τα διαγράμματα Feynman.

Είναι η ενέργεια του κενού απλώς ένα σωρό απρόσιτα σωματίδια που εμφανίζονται και εξαφανίζονται στο κενό; Περίπου. Είναι γνωστό ότι είναι ένας τύπος σκοτεινής ενέργειας, που επηρεάζει τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος. Η ενέργεια του κενού είναι επίσης μια περίπτωση ενέργειας μηδενικού σημείου, της χαμηλότερης ενεργειακής κατάστασης που είναι δυνατή στην κβαντομηχανική. Αναφέρεται στις διακυμάνσεις που βιώνουν τα κβαντικά πεδία στο απόλυτο μηδέν στο κενό του χώρου. Ως εκ τούτου, οι θεωρίες που συνδέονται με αυτό επίσης συχνά αναφέρονται σε ενέργεια μηδενικού σημείου.

Κοσμική επέκταση και επιτάχυνση

Οι εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν περιλαμβάνουν μερικά στοιχεία που είναι σημαντικά για την κατανόηση του ρόλου που παίζει η ενέργεια του κενού στο σύμπαν και γιατί προκαλεί σύγχυση. Υπάρχουν δύο σταθερές:G και λάμδα. Το G είναι η σταθερά του Νεύτωνα, που αναφέρεται στη δύναμη της βαρύτητας, και το λάμδα είναι η κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν. Αυτές οι τιμές είναι σταθερές της φύσης, που σημαίνει ότι ισχύουν με τον ίδιο τρόπο οπουδήποτε στο διάστημα. Μια άλλη τιμή, το T, αντιπροσωπεύει όλους τους άλλους τύπους ενέργειας στο σύμπαν. Στην άλλη πλευρά της εξίσωσης υπάρχουν δύο τιμές, R, που ποσοτικοποιούν την καμπύλη του χωροχρόνου.

Είναι ενδιαφέρον ότι αυτή η εξίσωση αποκαλύπτει τη σχέση που έχει η κοσμολογική σταθερά με την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Η φυσική Sabine Hossenfelder έχει εξηγήσει ότι όταν το T είναι μηδέν, η εξίσωση αντιπροσωπεύει τον κενό χώρο. Το λάμδα γίνεται τότε η ενεργειακή πυκνότητα του κενού. Αυτό φτάνει στον πυρήνα του τι είναι στην πραγματικότητα η ενέργεια του κενού. Ο Δρ. Hossenfelder επισημαίνει ότι όταν "συνδέετε" τη συνάρτηση a(t) , που αντιπροσωπεύει τον παράγοντα κλίμακας του σύμπαντος, στην εξίσωση του Αϊνστάιν, το αποτέλεσμα είναι ότι η επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος είναι ανάλογη με την κοσμολογική σταθερά.

Όταν λειτουργεί αυτή η κλίμακα, a(t) , είναι θετικό, η απόσταση μεταξύ των αντικειμένων στο σύμπαν αυξάνεται. Όταν το λάμδα είναι θετικό, η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται. Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια του κενού είναι μη μηδενική και προκαλεί την επιτάχυνση.

Αυτό προκαλεί σύγχυση για τους φυσικούς γιατί κάποιος μπορεί να σκεφτεί ότι αν πρόκειται για ένα σωρό εικονικά σωματίδια, θα δημιουργούσαν περισσότερη βαρυτική δύναμη καθώς έλκονται το ένα το άλλο, προκαλώντας συστολή του σύμπαντος. Ακόμη πιο περίεργο είναι ότι η πυκνότητά του παραμένει σταθερή ακόμη και όταν το σύμπαν διαστέλλεται. Κανένας άλλος τύπος ενέργειας δεν συμπεριφέρεται με αυτόν τον τρόπο. Ο όγκος της ενέργειας του κενού στο διάστημα θα πρέπει να αυξάνεται για να είναι δυνατό αυτό.

Κοσμική σύγχυση:Πρόβλεψη της σταθεράς

Η ενέργεια του κενού είναι η ενέργεια του περιβάλλοντος περιβάλλοντος που διαπερνά τον χώρο σε όλο το σύμπαν. Σχετίζεται με την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος, αν και λίγα είναι γνωστά για την ακριβή φύση ή την ποσότητα του. Φυσικά, οι φυσικοί θα ήθελαν να κατανοήσουν τη φύση και την αξία του. Δυστυχώς, το να ανακαλύψεις τα μυστήρια της κοσμολογικής σταθεράς κάθε άλλο παρά απλό είναι.

Feynman και Wheeler

Δεν είναι ποτέ καλό σημάδι όταν μια επιστημονική θεωρία παίρνει ένα ψευδώνυμο όπως «η καταστροφή του κενού». Δύο γνωστοί φυσικοί, ο John Wheeler και ο Richard Feynman, πρόβλεψαν περίφημα ότι η τιμή της ενεργειακής πυκνότητας της ενέργειας του κενού ήταν ένας αστρονομικά τεράστιος αριθμός, 10 ergs/cm. Αυτή η τιμή είναι τόσο τεράστια που οι Feynman και Wheeler είπαν ότι θα χρειαζόταν μόνο ένα φλιτζάνι τσαγιού αυτού του τύπου ενέργειας για να βράσουν οι ωκεανοί της Γης. Το πρόβλημα με αυτόν τον αριθμό είναι ότι είναι πολύ διαφορετικός από το παρατηρούμενο σύμπαν.

Εάν είναι τόσο ογκώδης όσο προέβλεψαν οι Feynman και Wheeler, το σύμπαν θα επιταχύνει με πολύ μεγαλύτερο ρυθμό από ό,τι είναι. Η καμπυλότητά του θα αυξανόταν επίσης. Ωστόσο, αυτό δεν είναι αυτό που παρατηρούν οι φυσικοί. Αυτό οδήγησε ορισμένους στην επιστημονική κοινότητα να αναφέρουν την προβλεπόμενη τιμή της πυκνότητας της ενέργειας του κενού ως «τη χειρότερη πρόβλεψη όλων των εποχών», δεδομένου ότι ήταν πάνω από εκατό μεγέθη αξίας μεγαλύτερη από ό,τι υποδηλώνουν οι παρατηρήσεις.

Σωστό ή Λάθος;

Μερικοί άνθρωποι συμπεραίνουν ότι πρέπει να υπάρχει κάποια άλλη ενέργεια στο σύμπαν που ακυρώνει την ενέργεια του κενού. Οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακόμη τι είναι αυτή η ενέργεια, επομένως η μαθηματική πρόβλεψη για αυτήν είναι ελλιπής και ως εκ τούτου λανθασμένη.

Στην πραγματικότητα, η πρόβλεψη των Feynman και Wheeler μπορεί να είναι ακριβής. Οι επιστήμονες μπορούν να μετρήσουν μόνο τις διαφορές στην ενέργεια, όπως και το ρεύμα του ηλεκτρισμού. Εάν η ενέργεια του κενού είναι η ίδια παντού στο σύμπαν και δεν υπάρχει αλλαγή πουθενά, δεν μπορεί να μετρηθεί. Το σημείο μηδέν της ενέργειας του κενού δεν επηρεάζει ή ακυρώνει την κβαντική θεωρία πεδίου. Η φαινομενικά περίεργη πρόβλεψη των Feynman και Wheeler θα μπορούσε να είναι σωστή. Ωστόσο, αυτή η τεράστια ποσότητα ενέργειας δεν είναι προσβάσιμη επειδή βρίσκεται σε ισορροπία παντού στο σύμπαν.

Μύθοι για την ενέργεια του κενού

Δυστυχώς, μεγάλο μέρος του βόμβου γύρω από την ενέργεια του κενού και την ενέργεια του μηδενικού σημείου έχει να κάνει με τραβηγμένες θεωρίες ότι αυτή η άπειρη πηγή ενέργειας θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για όλα τα είδη των πραγμάτων. Αυτές οι θεωρίες είναι κυρίως ανοησίες. Ένα από τα πιο ανόητα είναι ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως δωρεάν, απεριόριστη πηγή ενέργειας, επιτρέποντας ακόμη και ταξίδια στα μακρινά σημεία του διαστήματος.

Δυστυχώς, αυτό δεν είναι δυνατό. Θα ήταν σαν να προσπαθείς να χρησιμοποιήσεις τους ωκεανούς του κόσμου ως μια σχεδόν άπειρη πηγή πόσιμου νερού. Οι άνθρωποι δεν μπορούν πραγματικά να πιουν νερό των ωκεανών, τουλάχιστον όχι με ασφάλεια. Με τον ίδιο τρόπο, σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα, η ενέργεια του κενού μπορεί να είναι ενέργεια. Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πηγή ενέργειας, ανεξάρτητα από το πόσο υπάρχει εκεί έξω.

Οι άνθρωποι εξάγουν ενέργεια για να τη χρησιμοποιήσουν ως ισχύ από τη μετάβασή της προς την ισορροπία. Αυτό μπορεί να γίνει μόνο όταν αλλάζει η ενέργεια. Εάν είναι ήδη σταθερό σε όλο το σύμπαν, δεν υπάρχει τρόπος να αφαιρέσετε απλώς άπειρες ποσότητες για να τις χρησιμοποιήσετε ως δύναμη. Δεν αλλάζει, επομένως δεν υπάρχει τρόπος πρόσβασης.

Η Μυστηριώδης Ενέργεια του Σύμπαντος

Η ενέργεια του κενού είναι απλώς η σταθερή ενέργεια υποβάθρου του σύμπαντος. Οι φυσικοί έχουν κάποιες προβλέψεις για την αξία ή την ενεργειακή του πυκνότητα και έχει να κάνει με την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος. Ωστόσο, η χρήση του ως πηγή ενέργειας ή πρόωσης πυραύλων παραμένει σταθερά και αποκλειστικά στη σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας.

Ellie Poverly