Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Помните фразу Фридриха Ницше «Когда долго всматриваешься в бездну, бездна начинает всматриваться в тебя«? Эта цитата наилучшим образом подходит для описания предмета нашей беседы.
Представьте себе разогретый брусок или камень. Он состоит из частичек, которые постоянно перемещаются в пространстве. Мера движения этих частиц описывается температурой, а конкретные значения этой температуры определяют тепловую энергию. Согласно теории возможно такое состояние, что при нулевой температуре по шкале Кельвина наступает абсолютный покой. Все частицы замирают. При этом энергия этой системы тоже нулевая.
Получается, что теоретически возможно такое состояние, когда классическая система (наш многострадальный брусок или камень) будет обладать нулевой энергией. Говоря простым языком — это полное отсутствие энергии. Теперь переходим к самому интересному. Рассмотрим квантовые системы.
В этой области существует такое невероятно интересное понятие, как энергия нулевой точки. И, забегая вперёд, сразу скажу, что по сути это энергия абсолютной пустоты, из которой возможно даже «сгенерировать» частички (но про это отдельно).
Энергия нулевой точки относится к минимально возможной энергии, которую может иметь квантово-механическая система, даже когда она находится в своем основном состоянии (состоянии с минимальной энергией). В отличие от классических систем (как наш брусок), где система при нулевой температуре имела бы нулевую энергию, квантовые системы все еще обладают некоторой остаточной энергией из-за присущей квантовой механике неопределенности.
Эту энергию часто называют квантовыми флуктуациями или энергией вакуума .
И тут есть несколько взаимодополняемых подходов, про которые обязательно нужно знать.
Откуда взялась нулевая точка и чем она полезна?
В квантовой механике принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что мы никогда не сможем знать с абсолютной точностью и положение, и импульс частицы. Это означает, что даже в вакууме (пространстве без материи) частицы и поля все еще испытывают флуктуации энергии (любое случайное отклонение какой-либо величины называется флуктуацией). По сути это одно из объяснений природы нулевой точки.
Флуктуации могут приводить к кратковременному появлению и исчезновению так называемых виртуальных частиц. Эти частицы появляются и исчезают, заимствуя энергию из вакуума, а затем возвращая ее в течение короткого времени, как это разрешено квантовыми правилами. При этом виртуальные частицы при некоторых условиях способны порождать вполне себе реальные частички.
Есть и другой подход к природе появления нулевой точки. Вакуум пространства на самом деле не пуст, а заполнен флуктуирующими полями и частицами. Энергия этих флуктуаций называется энергией вакуума или энергией нулевой точки. И вы наверное помните про не совсем-таки понятную космологическую постоянную. Я писал про это заметку.
Эйнштейн, прорабатывая собственную логику, установил, что «не вытанцовывается оно». Поэтому, в систему расчёта была введена некоторая величина, которая выравнивает это разногласие. Она была названа космологической постоянной и её происхождение долгое время занимало умы физиков. Изучение вопроса порой приводило к смешным ситуациям, как это было с Эддисоном.
Энергия вакуума может быть источником космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в своих уравнениях общей теории относительности. Космологическая постоянная часто рассматривается как форма темной энергии, ответственная за ускоренное расширение Вселенной.
Правда ли, что эту величину можно «пощупать»?
Традиционный вопрос у читателя обычно — а как это можно потрогать и увидеть? Знаете, в случае нулевой точки всё довольно занятно. Есть широко известный косвенный эффект, который во многом может продемонстрировать существование энергии нулевой точки или энергии абсолютного вакуума.
Вы слышали про эффект Казимира? Когда две незаряженные параллельные металлические пластины помещаются очень близко друг к другу в вакууме, они испытывают силу притяжения из-за квантовых флуктуаций электромагнитного поля между ними. Этот опыт демонстрирует, что вакуум не пуст, а заодно подсказывает, что он обладает энергией.
Квантовые флуктуации в вакууме оказывают давление на пластины. Поскольку определенные длины волн виртуальных частиц исключены между пластинами (из-за малого зазора), давление снаружи пластин больше, чем между ними, что приводит к силе, которая толкает пластины друг к другу.
Как использовать идею нулевой точки?
У концепции нулевой точки есть гипотетическое прикладное применение. Более того, благодаря этому можно объяснить такие сложные явления, как рождение пар.
Некоторые спекулятивные идеи предлагают возможность использования энергии нулевой точки как почти безграничного источника энергии. Однако это все еще гипотеза.
Энергия нулевой точки исследовалась в научной фантастике как потенциальный источник энергии для современных двигательных установок космических кораблей, позволяющих совершать путешествия со скоростью, превышающей скорость света, или межзвездные путешествия.
Энергия нулевой точки может быть связана с темной энергией — таинственной силой, вызывающей ускоренное расширение Вселенной. Хотя энергия квантовых флуктуаций может стоять за этой силой, точная связь остается неясной из-за проблемы величины.
Если нулевая энергия действительно существует в каждой точке вакуума, ее кумулятивный эффект может оказать большое влияние на геометрию пространства-времени, как описано в общей теории относительности Эйнштейна. Более того, учитывая, что энергия нулевой точки теоретически может оказывать отталкивающее действие, она может быть связана с явлением космической инфляции (быстрое расширение ранней Вселенной) или текущим ускоренным расширением, приписываемым темной энергии.
Что же, согласитесь…Это невероятно интересная концепция. Как обычно она трудно объяснима и ломает нашу привычную логику. Но при этом при реальном существовании такого явления это многое объяснит. Остаётся интересный вопрос. Если термодинамическая система подразумевает, что её строение можно квантовать, то и при абсолютном нуле она тогда должна иметь некоторую нулевую энергию.