Отрицательная энергия - Negative energy

Отрицательная энергия - это понятие, используемое в физике для объяснения природы определенных полей , включая гравитационное поле и различные эффекты квантового поля .

В более умозрительных теориях отрицательная энергия участвует в путешествиях во времени в прошлое, создании искусственных червоточин , которые также могут позволять путешествовать во времени , трубках Красникова , приводе Алькубьерре и, возможно, других типах варп-двигателей для космических путешествий со сверхсветовой скоростью. .

Гравитационно потенциальная энергия

Положительное гравитационное притяжение между двумя массивными объектами сопровождается отрицательным гравитационным потенциалом в поле, которое их притягивает. Когда расстояние между ними приближается к бесконечности, гравитационное притяжение приближается к нулю с положительной стороны линии действительных чисел, а гравитационный потенциал приближается к нулю с отрицательной стороны. Следовательно, когда два массивных объекта движутся навстречу друг другу, движение ускоряется под действием силы тяжести, вызывая увеличение (положительной) кинетической энергии системы и увеличение на такое же количество (отрицательной) гравитационной потенциальной энергии объекта. Это потому, что закон сохранения энергии требует, чтобы чистая энергия системы не изменялась. Гравитационная потенциальная энергия - это своего рода энергия связи.

Вселенная , в которой положительные преобладает энергия в конце концов рухнет в « Big Crunch », в то время как «открытая» Вселенная , в которой отрицательные доминирует энергия будет либо неограниченно расширяться или в конечном счете , распадаются в « большим расколом ». В модели Вселенной с нулевой энергией («плоской» или «евклидовой») общее количество энергии во Вселенной точно равно нулю : количество положительной энергии в ней в форме материи в точности компенсируется ее отрицательной энергией в форме от тяжести . (Неясно, какая из этих моделей точно описывает реальную Вселенную, если таковая имеется.)

Квантовые полевые эффекты

Отрицательные энергии и отрицательная плотность энергии согласуются с квантовой теорией поля .

Виртуальные частицы

В квантовой теории принцип неопределенности позволяет заполнить вакуум пространства виртуальными парами частица-античастица, которые возникают спонтанно и существуют лишь короткое время, прежде чем, как правило, снова аннигилируют. Некоторые из этих виртуальных частиц могут иметь отрицательную энергию. Их поведение играет роль в нескольких важных явлениях, как описано ниже.

Эффект Казимира

В эффекте Казимира две плоские пластины, расположенные очень близко друг к другу, ограничивают длины волн квантов, которые могут существовать между ними. Это, в свою очередь, ограничивает типы и, следовательно, количество и плотность пар виртуальных частиц, которые могут образовываться в промежуточном вакууме и могут привести к отрицательной плотности энергии. Поскольку этого ограничения нет или оно гораздо менее значимо на противоположных сторонах пластин, силы снаружи пластин больше, чем силы между пластинами. Это приводит к тому, что пластины кажутся тянутыми друг к другу, что было измерено. Точнее, энергия вакуума, вызванная парами виртуальных частиц, толкает пластины вместе, а энергия вакуума между пластинами слишком мала, чтобы свести на нет этот эффект, поскольку в единице объема между пластинами может существовать меньше виртуальных частиц, чем может существовать вне их.

Сжатый свет

Можно организовать несколько лучей лазерного света так, чтобы деструктивная квантовая интерференция подавляла флуктуации вакуума . Такое сжатое вакуумное состояние связано с отрицательной энергией. Повторяющаяся форма волны света приводит к чередованию областей положительной и отрицательной энергии.

Море Дирака

Согласно теории моря Дирака , разработанной Полем Дираком в 1930 году, космический вакуум наполнен отрицательной энергией. Эта теория была разработана для объяснения аномалии квантовых состояний с отрицательной энергией, предсказываемой уравнением Дирака .

Теория моря Дирака правильно предсказала существование антивещества за два года до открытия позитрона в 1932 году Карлом Андерсоном . Однако теория моря Дирака рассматривает антивещество как дыру в отсутствии частицы, а не как настоящую частицу. Квантовая теория поля (КТП), разработанная в 1930-х годах, рассматривает антивещество таким образом, что оно рассматривает антивещество как состоящее из реальных частиц, а не как отсутствие частиц, и рассматривает вакуум как пустой от частиц, а не как наполненный частицами с отрицательной энергией. как в теории моря Дирака.

Квантовая теория поля вытеснила теорию моря Дирака как более популярное объяснение этих аспектов физики. И теория моря Дирака, и квантовая теория поля эквивалентны посредством преобразования Боголюбова , поэтому море Дирака можно рассматривать как альтернативную формулировку квантовой теории поля и, таким образом, согласовывать с ней.

Явления квантовой гравитации

Сильные гравитационные поля вокруг черных дыр создают явления, которые объясняются как гравитационными, так и квантовыми эффектами. В этих ситуациях вектор Киллинга частицы может быть повернут так, что ее энергия станет отрицательной.

Радиация Хокинга

Виртуальные частицы могут существовать недолго. Когда пара таких частиц появляется рядом с горизонтом событий черной дыры, одна из них может втянуться внутрь. Это поворачивает ее вектор Киллинга, так что ее энергия становится отрицательной, и у пары нет чистой энергии. Это позволяет им стать реальными, и положительная частица улетучивается в виде излучения Хокинга , в то время как частица с отрицательной энергией уменьшает чистую энергию черной дыры. Таким образом, черная дыра может медленно испаряться.

Эргосфера черной дыры и квазары

Для вращающейся черной дыры вращение создает эргосферу за пределами горизонта событий. Поскольку эргосфера находится за пределами горизонта событий, частицы могут улетать из нее. Внутри эргосферы вектор Киллинга частицы может вращаться, чтобы придать ей отрицательную энергию. Затем частица с отрицательной энергией пересекает горизонт событий в черную дыру, с законом сохранения энергии, требующим, чтобы равное количество положительной энергии должно уходить. Считается, что именно так генерируется интенсивное излучение, испускаемое квазарами .

Спекулятивные предложения

Червоточины

Отрицательная энергия появляется в умозрительной теории червоточин , где она необходима, чтобы держать червоточину открытой. Червоточина напрямую соединяет два места, которые могут быть разделены произвольно далеко друг от друга как в пространстве, так и во времени, и в принципе позволяет почти мгновенно перемещаться между ними. Однако физики, такие как Роджер Пенроуз, считают такие идеи нереалистичными, больше выдумкой, чем домыслами.

Деформационный привод

Был предложен теоретический принцип сверхсветового ( сверхсветового ) варп-двигателя для космических кораблей, использующий отрицательную энергию. Привод Alcubierre включает решение уравнений Эйнштейна общей теории относительности , в которой пузырек пространства - времени быстро перемещаемых расширения пространства позади нее и сокращение пространства перед ним.

Смотрите также

использованная литература

Встроенные заметки

Библиография

  • Лоуренс Х. Форд и Томас А. Роман; «Отрицательная энергия, червоточины и варп-драйв», Scientific American, январь 2000 г. , стр. 282 , стр. 46–53.
  • Роджер Пенроуз; Дорога к реальности , ppbk, Vintage, 2005. Глава 30: Роль гравитации в редукции квантовых состояний.