Energia próżni - Polski Serwis Naukowy

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.

Emisja spontaniczna zachodzi wtedy, gdy elektrony znajdujące się na poziomach wzbudzonych w sposób spontaniczny wracają na niższe poziomy energetyczne, emitując przy tym fotony.

Mechanika kwantowa (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna.

W 1900 roku Max Planck wyprowadził wzór na energię pojedynczego emitera energii: $\epsilon = \frac{h\nu}{ e^{\frac{h\nu}{kT}}-1}$

gdzie: h – stała Plancka, ν – częstotliwość, k – stała Boltzmanna, T – temperatura 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. 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:

Fluktuacje kwantowe – chwilowe zmiany ilości energii w pewnym punkcie przestrzeni. Możliwość istnienia kwantowych fluktuacji jest konsekwencją zasady nieoznaczoności.

Wodór (H, łac. hydrogenium) – pierwiastek chemiczny, niemetal z bloku s układu okresowego. Jest to najprostszy możliwy pierwiastek o liczbie atomowej 1, składający się z jednego protonu i jednego elektronu.

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

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

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.

Częstotliwość określa liczbę cykli zjawiska okresowego występujących w jednostce czasu. W układzie SI jednostką częstotliwości jest herc (Hz). Częstotliwość 1 herca odpowiada występowaniu jednego zdarzenia (cyklu) w ciągu 1 sekundy. Najczęściej rozważa się częstotliwość w ruchu obrotowym, częstotliwość drgań, napięcia, fali.

Przesunięcie Lamba to niewielka rozbieżność między obserwowanymi doświadczalnie poziomami energetycznymi atomów wodoru a przewidywaniami równania Diraca, odkryta w 1947-1952 przez Willisa Lamba i jego studenta Roberta C. Retherforda.

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

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.

Wielki Wybuch (ang. Big Bang) – model ewolucji Wszechświata uznawany za najbardziej prawdopodobny. Według tego modelu ok. 13,75 (±0,11) mld lat temu[1] dokonał się Wielki Wybuch – z bardzo gęstej i gorącej osobliwości początkowej wyłonił się Wszechświat (przestrzeń, czas, materia, energia i oddziaływania).

Efekt Casimira - zjawisko fizyczne przyciągania pomiędzy dwiema pozbawionymi ładunku elektrycznego płytami wykonanymi z przewodnika spowodowane różnicą ciśnienia oddziałujących na nie cząstek wirtualnych. Pierwszy raz wystąpienie tego efektu w roku 1948 przewidział holenderski fizyk Hendrik B. G. Casimir pracujący w laboratoriach Philipsa.

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.

Energia gr. ενεργεια (energeia) – skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca pod względem ilościowym stan układu fizycznego (materii) (z punktu widzenia termodynamiki niektóre formy energii są funkcjami stanu i potencjałami termodynamicznymi), stan i wzajemne oddziaływania obiektów fizycznych (ciał, pól, cząstek, układów fizycznych), przemiany fizyczne i chemiczne oraz wszelkiego rodzaju procesy występujące w przyrodzie.

Temperatura – jedna z podstawowych ) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

Przypisy

Gearhart Clayton, Quantum Quandaries: Walther Nernst, Albert Einstein, Otto Stern, and the Specific Heat of Hydrogen (ang.)

Bibliografia

Philip Yam, Exploiting zero-point energy, Scientific American Magazine, December 1997, pp. 82-85.

Laidler, Keith, J. (2001). The World of Physical Chemistry. Oxford University Press. ISBN 0198559194.