Energie negativă - Negative energy

Energia negativă este un concept folosit în fizică pentru a explica natura anumitor câmpuri , inclusiv câmpul gravitațional și diferite efecte ale câmpului cuantic .

În teoriile mai speculative, energia negativă este implicată în călătoriile în timp către trecut, crearea găurilor de vierme artificiale , care pot permite, de asemenea , călătoria în timp , tuburile Krasnikov , unitatea Alcubierre și potențial alte tipuri de unități de urzeală pentru o călătorie spațială mai rapidă decât lumina. .

Energia potențială gravitațională

Atracția gravitațională pozitivă dintre două obiecte masive este însoțită de o cantitate negativă de potențial gravitațional în câmp care le atrage. Pe măsură ce distanța dintre ele se apropie de infinit, atracția gravitațională se apropie de zero din partea pozitivă a liniei numerice reale și potențialul gravitațional se apropie de zero din partea negativă. Prin urmare, pe măsură ce două obiecte masive se deplasează unul către celălalt, mișcarea accelerează sub gravitație provocând o creștere a energiei cinetice (pozitive) a sistemului și o creștere a aceleiași cantități a energiei potențiale gravitaționale (negative) a obiectului. Acest lucru se datorează faptului că legea conservării energiei impune ca energia netă a sistemului să nu se schimbe. Energia potențială gravitațională este un fel de energie de legare.

Un univers în care domină energia pozitivă se va prăbuși în cele din urmă într-un „ Big Crunch ”, în timp ce un univers „deschis” în care domină energia negativă se va extinde la nesfârșit sau, în cele din urmă, se va dezintegra într-o „ mare ruptură ”. În modelul universului cu energie zero („plat” sau „euclidian”), cantitatea totală de energie din univers este exact zero : cantitatea sa de energie pozitivă sub formă de materie este anulată exact de energia sa negativă sub formă de gravitate . (Nu este clar care, dacă există, dintre aceste modele descrie cu exactitate universul real.)

Efecte de câmp cuantic

Energiile negative și densitatea energiei negative sunt în concordanță cu teoria câmpului cuantic .

Particule virtuale

În teoria cuantică, principiul incertitudinii permite ca vidul spațiului să fie umplut cu perechi virtuale particule-antiparticule care apar spontan și există doar pentru o perioadă scurtă de timp înainte, de obicei, să se anihileze din nou. Unele dintre aceste particule virtuale pot avea energie negativă. Comportamentul lor joacă un rol în mai multe fenomene importante, așa cum este descris mai jos.

Efectul Casimir

În efectul Casimir, două plăci plate așezate foarte aproape una de alta restricționează lungimile de undă ale cuantelor care pot exista între ele. La rândul său, acest lucru restricționează tipurile și, prin urmare, numărul și densitatea perechilor de particule virtuale care se pot forma în vidul intermediar și pot duce la o densitate de energie negativă. Deoarece această restricție nu există sau este mult mai puțin semnificativă pe laturile opuse ale plăcilor, forțele din afara plăcilor sunt mai mari decât cele dintre plăci. Acest lucru face ca plăcile să pară să se tragă una de cealaltă, ceea ce a fost măsurat. Mai precis, energia de vid cauzată de perechile de particule virtuale împinge plăcile împreună, iar energia de vid dintre plăci este prea mică pentru a nega acest efect, deoarece pot exista mai puține particule virtuale pe unitate de volum între plăci decât pot exista în afara lor.

Lumina stoarsă

Este posibil să aranjați mai multe fascicule de lumină laser, astfel încât interferența cuantică distructivă să suprime fluctuațiile vidului . O astfel de stare de vid stoarsă implică energie negativă. Forma de undă repetitivă a luminii duce la regiuni alternante de energie pozitivă și negativă.

Marea Dirac

Conform teoriei mării Dirac , dezvoltată de Paul Dirac în 1930, vidul spațiului este plin de energie negativă. Această teorie a fost dezvoltată pentru a explica anomalia stărilor cuantice cu energie negativă prezise de ecuația Dirac .

Teoria mării Dirac a prezis corect existența antimateriei cu doi ani înainte de descoperirea pozitronului în 1932 de către Carl Anderson . Cu toate acestea, teoria mării Dirac tratează antimateria ca o gaură în care există absența unei particule, mai degrabă decât ca o particulă reală. Teoria câmpului cuantic (QFT), dezvoltată în anii 1930, tratează antimateria într-un mod care tratează antimateria ca fiind făcută din particule reale, mai degrabă decât absența particulelor și tratează vidul ca fiind gol de particule, mai degrabă decât plin de particule de energie negativă. ca în teoria mării Dirac.

Teoria câmpului cuantic a deplasat teoria mării Dirac ca o explicație mai populară a acestor aspecte ale fizicii. Atât teoria mării Dirac, cât și teoria câmpului cuantic sunt echivalente prin intermediul unei transformări Bogoliubov , astfel încât marea Dirac poate fi privită ca o formulare alternativă a teoriei câmpului cuantic și, prin urmare, este în concordanță cu aceasta.

Fenomene de gravitație cuantică

Câmpurile gravitaționale intense din jurul găurilor negre creează fenomene care sunt atribuite atât efectelor gravitaționale, cât și efectelor cuantice. În aceste situații, vectorul Killing al unei particule poate fi rotit astfel încât energia sa să devină negativă.

Radiații Hawking

Particulele virtuale pot exista pentru o perioadă scurtă de timp. Când o pereche de astfel de particule apare lângă orizontul de evenimente al unei găuri negre, una dintre ele se poate atrage. Aceasta își rotește vectorul de ucidere astfel încât energia sa să devină negativă și perechea să nu aibă energie netă. Acest lucru le permite să devină reale și particula pozitivă scapă ca radiație Hawking , în timp ce particula de energie negativă reduce energia netă a găurii negre. Astfel, o gaură neagră se poate evapora încet.

Ergosfera gaurilor negre și quasarii

Pentru o gaură neagră rotativă, rotația creează o ergosferă în afara orizontului evenimentului. Deoarece ergosfera se află în afara orizontului evenimentelor, particulele pot scăpa din ea. În ergosferă, vectorul Killing al unei particule poate fi rotit pentru a-i da energie negativă. Particula de energie negativă traversează orizontul evenimentelor în gaura neagră, legea conservării energiei necesitând să scape o cantitate egală de energie pozitivă. Se crede că astfel se generează radiația intensă emisă de quasari .

Sugestii speculative

Găuri de vierme

Energia negativă apare în teoria speculativă a găurilor de vierme , unde este necesară pentru a menține gaura de vierme deschisă. O gaură de vierme conectează direct două locații care pot fi separate în mod arbitrar la distanță atât în spațiu cât și în timp și, în principiu, permite o călătorie aproape instantanee între ele. Cu toate acestea, fizicieni precum Roger Penrose consideră idei ca fiind nerealiste, mai mult ficțiune decât speculații.

Unitate de urzeală

A fost sugerat un principiu teoretic pentru o antrenare de urzeală mai rapidă decât lumina (FTL) pentru nave spațiale, care implică energie negativă. Unitatea Alcubierre cuprinde o soluție la ecuațiile relativității generale ale lui Einstein , în care o bulă de spațiu-timp este mișcată rapid prin extinderea spațiului din spatele său și micșorarea spațiului din fața sa.

Vezi si

Referințe

Note în linie

Bibliografie

Lawrence H. Ford și Thomas A. Roman; „Energie negativă, găuri de vierme și impuls de urzeală”, Scientific American ianuarie 2000, 282 , paginile 46-53.
Roger Penrose; The Road to Reality , ppbk, Vintage, 2005. Capitolul 30: Rolul gravitației în reducerea stării cuantice.

Languages

In other projects