Kvantevakuum:Mindre end nul energi

Energi er en mængde, der altid skal være positiv - det er i hvert fald det, vores intuition fortæller os. Hvis hver enkelt partikel fjernes fra et bestemt volumen, indtil der ikke er noget tilbage, der muligvis kan bære energi, så er en grænse nået. Eller har det? Er det stadig muligt at udvinde energi selv fra tomt rum?

Kvantfysik har gang på gang vist, at det modsiger vores intuition, hvilket også er sandt i denne sag. Under visse betingelser, negative energier er tilladt, i hvert fald inden for et bestemt område af tid og rum. Et internationalt forskerhold ved TU Wien, Université libre de Bruxelles (Belgien) og IIT Kanpur (Indien) har nu undersøgt, i hvilken grad negativ energi er mulig. Det viser sig, at uanset hvilke kvanteteorier der tages i betragtning, uanset hvilke symmetrier der antages at have i universet, der er altid visse grænser for at "låne" energi. Lokalt, energien kan være mindre end nul, men som penge lånt fra en bank, denne energi skal "tilbagebetales" i sidste ende.

Frastødende tyngdekraft

"I teorien om generel relativitet, vi går normalt ud fra, at energien er større end nul, til enhver tid og overalt i universet, "siger prof. Daniel Grumiller fra Institut for Teoretisk Fysik ved TU Wien (Wien). Dette har en meget vigtig konsekvens for tyngdekraften:Energi er forbundet med masse via formlen E =mc². Negativ energi vil derfor også betyde negativ masse. Positive masser tiltrækker hinanden, men med en negativ masse, tyngdekraften kunne pludselig blive en frastødende kraft.

Quantum theory, imidlertid, tillader negativ energi. "Ifølge kvantefysikken, det er muligt at låne energi fra et vakuum på et bestemt sted, som penge fra en bank, "siger Daniel Grumiller." I lang tid har vi gjorde nu ikke om maksimumsbeløbet for denne form for energikredit og om mulige renter, der skal betales. Forskellige antagelser om denne "interesse" (kendt i litteraturen som "Quantum Interest") er blevet offentliggjort, men der er ikke aftalt et samlet resultat.

Den såkaldte "quantum null energy condition" (QNEC), hvilket blev bevist i 2017, foreskriver visse grænser for "låntagning" af energi ved at forbinde relativitetsteori og kvantefysik:En energi mindre end nul er således tilladt, men kun i et bestemt område og kun i en bestemt tid. Hvor meget energi kan være
lånt fra et vakuum, før den energiske kreditgrænse er udtømt, afhænger af en kvantisk fysisk mængde, den såkaldte forvikling entropi.

"På en vis måde, sammenfiltring entropi er et mål for, hvor stærkt et systems adfærd styres af kvantefysik, "siger Daniel Grumiller." Hvis kvanteforvikling spiller en afgørende rolle på et eller andet tidspunkt i rummet, for eksempel tæt på kanten af ​​et sort hul, så kan der forekomme en negativ energistrøm i et bestemt tidsrum, og negative energier bliver mulige i den region. "

Grumiller var nu i stand til at generalisere disse særlige beregninger sammen med Max Riegler og Pulastya Parekh. Max Riegler afsluttede sin afhandling i forskningsgruppen Daniel Grumiller ved TU Wien og arbejder nu som postdoc i Harvard. Pulastya Parekh fra IIT i Kanpur (Indien) var gæst på Erwin Schrödinger Institute og på TU Wien.

"Alle tidligere overvejelser har altid refereret til kvanteteorier, der følger symmetrierne ved Special Relativity. Men vi har nu kunnet vise, at denne sammenhæng mellem negativ energi og kvanteindvikling er et meget mere generelt fænomen, "siger Grumiller. De energibetingelser, der klart forbyder ekstraktion af uendelige mængder energi fra et vakuum, er gældende for meget forskellige kvanteteorier, uanset symmetri.

Loven om energibesparelse kan ikke overskrides

Selvfølgelig, dette har intet at gøre med mystiske "over enhedsmaskiner", der angiveligt genererer energi ud af ingenting, som de gentagne gange præsenteres i esoteriske kredse. "Det faktum, at naturen tillader en energi, der er mindre end nul i et bestemt tidsrum på et bestemt sted, betyder ikke, at loven om bevarelse af energi overtrædes, "understreger Daniel Grumiller." For at muliggøre negative energistrømme på et bestemt sted, der skal være kompenserende positive energistrømme i umiddelbar nærhed. "

Selvom sagen er noget mere kompliceret end tidligere antaget, energi kan ikke hentes fra ingenting, selvom det kan blive negativt. De nye forskningsresultater sætter nu stramme grænser for negativ energi, derved forbinder den med kvantemekanikkens karakteristiske egenskaber.