Energía de vacío

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La energía del vacío  es la suma de las energías de los estados de energía más bajos de todos los campos cuantificados en el vacío. [1] [2] La energía del vacío es homogénea en el espacio y constante en el tiempo. Su densidad es una constante mundial [3] [4] [5] .

Las consecuencias de la existencia de la energía del vacío se pueden observar experimentalmente en varios fenómenos como la emisión espontánea , el efecto Casimir y el Lamb shift . También se cree que influye en el comportamiento del universo en escalas cosmológicas .

Los datos astronómicos sobre el valor máximo de la constante cosmológica indican que la densidad de energía del vacío no supera los 10 −28 g/(cm 3 ) o 10 −9 julios 10 −2 erg ), o ~5 GeV por metro cúbico. [6] [7]

Sin embargo, en electrodinámica cuántica , de acuerdo con el principio de invariancia de Lorentz y con el valor de la constante de Planck , se asume un valor mucho mayor de 2*10 15 g/(cm 3 ). [8] Esta enorme discrepancia se conoce como el problema de la constante cosmológica .

Origen

La teoría cuántica de campos establece que todos los campos fundamentales , como el campo electromagnético , deben cuantificarse en cada punto del espacio. En física, se puede pensar en un campo como si el espacio estuviera lleno de bolas y resortes vibrantes interconectados, y la fuerza del campo es como el desplazamiento de la bola desde su posición de reposo. [9] La teoría requiere la presencia de tales "fluctuaciones", o, más precisamente, tales cambios en la intensidad del campo, que se propagarían de acuerdo con la ecuación de onda del campo particular bajo consideración. El segundo método de cuantificación de la teoría cuántica de campos requiere que se cuantifique la descripción matemática de cada combinación de bola y resorte, es decir, que se cuantifique la intensidad del campo en cada punto del espacio. Las excitaciones de campo corresponden a la presencia de partículas elementales . Así, según la teoría, incluso el vacío tiene una estructura extremadamente compleja, y todos los cálculos de la teoría cuántica de campos deben realizarse en relación con este modelo de vacío.

La teoría sostiene que el vacío implícitamente tiene las mismas propiedades que la partícula, como espín o polarización en el caso de la luz , energía, etc. Según la teoría, la mayoría de estas propiedades se cancelan en promedio, dejando el vacío vacío en el sentido literal de la palabra. [2] Sin embargo, una excepción importante es la energía del vacío, o el valor esperado de energía del vacío. La cuantización de un oscilador armónico simple requiere la energía más baja posible, o energía cero, de dicho oscilador, que será

La suma de todos los osciladores posibles en todos los puntos del espacio da un valor infinito. Para eliminar este infinito, se puede argumentar que solo las diferencias en energía son físicamente medibles, de forma similar a cómo se ha considerado el concepto de energía potencial en la mecánica clásica durante siglos. Este argumento está en el corazón de la teoría de la renormalización . En todos los cálculos prácticos, así es como se maneja el infinito.

La energía del vacío también se puede considerar en términos de partículas virtuales (también conocidas como fluctuaciones del vacío ) que se crean y destruyen a partir del vacío. Estas partículas siempre se crean en pares partícula-antipartícula , que en la mayoría de los casos pronto se aniquilan entre sí y desaparecen. Sin embargo, estas partículas y antipartículas pueden interactuar con otras antes de desaparecer. Estos procesos se pueden mostrar usando diagramas de Feynman . Tenga en cuenta que este método para calcular la energía del vacío es matemáticamente equivalente a tener un oscilador armónico cuántico en cada punto y, por lo tanto, enfrenta los mismos problemas de renormalización.

Una contribución adicional a la energía del vacío proviene de la ruptura espontánea de la simetría en la teoría cuántica de campos .

Consecuencias

La energía del vacío tiene una serie de consecuencias observables. En 1948, el físico holandés H. Casimir y D. Polder predijeron la existencia de una diminuta fuerza de atracción entre placas metálicas poco espaciadas debido a la resonancia de la energía del vacío en el espacio entre ellas. Este fenómeno se conoce como el efecto Casimir y desde entonces ha sido cuidadosamente verificado experimentalmente. Por lo tanto, se dice que la energía del vacío es "real" en el mismo sentido en que son reales los objetos conceptuales más familiares, como los electrones, los campos magnéticos, etc. Sin embargo, desde entonces se han propuesto explicaciones alternativas para el efecto Casimir. [diez]

Otras predicciones son más difíciles de verificar. Las fluctuaciones de vacío siempre se crean en forma de pares de partículas y antipartículas. La creación de estas partículas virtuales cerca del horizonte de eventos, el físico Stephen Hawking planteó la hipótesis de un agujero negro como mecanismo para la posible "evaporación" de los agujeros negros . [11] Si uno de los dos es atraído hacia el agujero negro antes de esto, entonces la otra partícula se vuelve "real" y la energía/masa se irradia esencialmente al espacio desde el agujero negro. Esta pérdida es acumulativa y eventualmente podría hacer que el agujero negro desaparezca. El tiempo requerido depende de la masa del agujero negro (las ecuaciones muestran que cuanto más pequeño es el agujero negro, más rápido se evapora), pero puede ser del orden de 10.100 años para agujeros negros de gran masa solar. [once]

La energía del vacío también tiene implicaciones importantes para la cosmología física. La relatividad general predice que la energía es equivalente a la masa y, por lo tanto, si la energía del vacío "realmente existe", debe ejercer una fuerza gravitacional . Como tal, se espera que la energía del vacío distinta de cero contribuya a la constante cosmológica , que afecta la expansión del universo . [6] [12]

Historia

En 1934, Georges Lemaitre utilizó la ecuación de estado de un gas ideal inusual para interpretar la constante cosmológica como debida a la energía del vacío. En 1948, el efecto Casimir proporcionó un método experimental para probar la existencia de la energía del vacío; en 1955, Evgeny Lifshitz propuso otro origen para el efecto Casimir. En 1957, Li y Yang demostraron los conceptos de ruptura de simetría y violación de la paridad , por lo que recibieron el Premio Nobel. En 1973, E. Tryon propuso la hipótesis del universo de energía cero : el universo podría ser una fluctuación del vacío mecánica cuántica a gran escala, donde la energía de masa positiva se equilibra con la energía potencial gravitacional negativa . Durante la década de 1980, se hicieron muchos intentos de relacionar los campos generadores de energía del vacío con campos específicos que fueron predichos por los intentos de las Grandes Teorías Unificadas y de usar observaciones del universo para respaldar una u otra versión. Sin embargo, la naturaleza exacta de las partículas (o campo) que generan energía de vacío con una densidad similar a la requerida por la teoría de la inflación sigue siendo un misterio.

Véase también

Notas

  1. ↑ Penrose R. Moda, fe, fantasía y la nueva física del universo. - San Petersburgo, Peter, 2020. - p. 319
  2. ↑ 1 2 Vacío físico // Física del micromundo. - M., Enciclopedia soviética , 1980. - p. 131
  3. ↑ Stern B. , Rubakov V. Astrofísica. Opción Trinidad. - M., AST, 2020. - pág. 44
  4. ↑ Battersby ,  Stephen _ _ _  . Nuevo Científico . Fecha de acceso: 18 de junio de 2020.
  5. ↑ Científico americano. 1997. SEGUIMIENTO: ¿Qué es la 'energía de punto cero' (o 'energía de vacío') en física cuántica? ¿Es realmente posible que podamos aprovechar esta energía? - Científico americano. [EN LÍNEA] Disponible en: http://www.scientificamerican.com/article/follow-up-what-is-the-zer/ . [Consultado el 27 de septiembre de 2016].
  6. ↑ 1 2 Zeldovich Ya. B. , Khlopov M. Yu. Drama de ideas en el conocimiento de la naturaleza. - M., Nauka, 1988. - pág. 177
  7. ↑ Sean Carroll, Sr. Research Associate - Physics, California Institute of Technology , 22 de junio de 2006 Transmisión de C-SPAN de Cosmología en el Panel científico anual de Kos, Parte 1
  8. ↑ Feynman R. , Hibs A. Mecánica cuántica e integrales de trayectoria. - M., Mir, 1968. - pág. 267
  9. ↑ Henley E., Thirring W. Teoría cuántica elemental de campos. - M., IL, 1963. - pág. veinte
  10. ↑ RL Jaffe: El Efecto Casimir y el Vacío Cuántico . En: Revisión Física D. Banda 72, 2005 [1]
  11. ↑ 1 2 Página, Don N. (1976). "Tasas de emisión de partículas de un agujero negro: Partículas sin masa de un agujero no giratorio y sin carga". Examen físico D. 13 (2): 198-206. Código Bib : 1976PhRvD..13..198P . DOI : 10.1103/PhysRevD.13.198 .
  12. ↑ Dolgov A. D. "Cosmología: desde Pomeranchuk hasta nuestros días" UFN 184 211-221 (2014)

Artículos y enlaces externos