對此問題的早期回覆已確定了利用零點能量進行實際應用是不切實際的。聖路易斯華盛頓大學的馬特·維瑟補充了一些技術細節
零點能量 (ZPE) 是量子物理學固有的且不可避免的一部分。自 1920 年代量子力學被發現以來,人們對零點能量進行了理論和實驗研究,毫無疑問,零點能量是一種真實的物理效應。“真空能量”是零點能量的一個具體例子,它引起了相當大的懷疑和困惑。在一個完全空曠的平坦宇宙中,真空能量的計算結果會產生無限大的正負值——這顯然與真實世界的本質不符。
觀測表明,在我們的宇宙中,真空能量的總量非常小,甚至可能完全為零。許多理論家懷疑真空能量的總量恰好為零。
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操縱真空能量絕對是可能的。任何改變真空能量的物體(例如,導體、電介質和引力場)都會扭曲量子力學真空態。這些真空能量的變化通常比真空能量本身的總量更容易計算。有時我們甚至可以在實驗室實驗中測量這些真空能量的變化。
在經典物理學中,如果您有一個受到某種保守力作用的粒子,則總能量為 E = (1/2) mv2 + V(x)。為了找到經典基態,將速度設定為零以最小化動能 (1/2)mv2,並將粒子放置在勢能 V(x) 最低的點。但這結果只是對真實世界的經典近似。由於經典基態完全指定了粒子的速度(零)和位置(在最小值處),因此它違反了著名的海森堡不確定性原理 (m dv dx > hbar)。量子物理學透過不確定性原理,迫使粒子在位置和速度上都散佈開來,因此導致它的能量略高於經典最小值。零點能量被定義為這種偏移
量子力學上,現在本科生就可以使用海森堡不確定關係(更精確地說,是薛定諤微分方程)來證明
下一步是認識到電磁場可以被認為是空間中每個點的無限耦合振盪器的集合。同樣,經典基態是電場和磁場都必須為零的情況。量子效應意味著這種情況不成立;電場和磁場也存在海森堡不確定性原理(稍微複雜一些)。好訊息是電磁學的勢能恰好是二次的,因此可以精確求解。壞訊息是有無限多的模式。形式上,我們可以寫成
第一個也是最明顯的問題是,宇宙中除了電磁場之外,還有其他量子場。首先是電子,以及中微子、夸克、膠子、W、Z、希格斯等等。特別是,如果您進行電子的計算,您會發現所謂的費米統計在計算中會產生一個額外的負號。
將負無窮大加到正無窮大會讓數學家感到噩夢,甚至讓理論物理學家也有些擔憂。幸運的是,大自然並不擔心數學家或物理學家的想法,而是自動為我們完成這項工作。考慮真空能量的總量(一旦我們加入了所有量子場、所有粒子相互作用,透過各種手段保持一切有限,並在最後採取所有適當的極限)。這個真空能量的總量還有另一個名稱:它被稱為“宇宙常數”,我們可以透過觀測來測量它。
在其最初的形式中,宇宙常數是愛因斯坦手工新增到廣義相對論(他的引力理論)中的東西。粒子物理學家後來接管了這個想法,並透過用零點能量和真空能量來物理地描述它,從而將其據為己有。天體物理學家現在正忙於對宇宙常數進行觀測限制。從宇宙學的角度來看,這些限制仍然相當寬泛:宇宙常數有可能提供宇宙總質量的 60% 到 80%。
然而,從粒子物理學的角度來看,這些限制極其嚴格:宇宙常數比人們從粒子物理學方程中天真地估計的值小 10(-123) 倍以上。宇宙常數很可能正好為零。(物理學家仍在爭論這個問題。)即使宇宙常數不為零,它在粒子物理學尺度上、在人類工程尺度上肯定也很小,並且太小而不可能成為人類需求的任何可能的能源——更不用說我們沒有任何關於如何大規模操縱宇宙常數的好的想法。
將免費午餐人群的更奇異的幻想放在一邊,我們是否有更可靠的方法來利用零點能量?事實證明,小規模操縱零點能量確實是可能的。透過引入導體或電介質,可以影響電磁場,從而引起量子力學真空的變化,從而導致零點能量的變化。這就是一種稱為卡西米爾效應的特殊物理現象的基礎。在經典世界中,完全中性的導體不會相互吸引。然而,在量子世界中,中性導體會擾亂量子電磁真空,並在導體移動時產生有限的可測量的能量變化。有時我們甚至可以計算能量的變化並將其與實驗進行比較。這些效應無疑都是真實且無可爭議的,但非常微小。
更具爭議性的是物理學家朱利安·施溫格提出的建議,即電介質中的零點能量與聲致發光有關。關於這一點,陪審團仍在評判,並且正在進行許多禮貌的討論(包括實驗主義者,他們不確定哪種競爭機制是正確的,以及理論家,他們仍然不同意電介質中卡西米爾效應的精確大小和性質。)更具推測性的是將卡西米爾效應與中子星上的“星震”和伽馬射線暴聯絡起來的建議。
總之,毫無疑問,零點能量、真空能量和卡西米爾效應在物理上是真實的。我們操縱這些量的能力是有限的,但在某些情況下具有技術意義。但是免費午餐人群大大誇大了零點能量的重要性。因此,對於開採零點能量的概念應持極其懷疑的態度
從一些狂熱愛好者談論零點能量的方式來看,人們可能會認為無限的能量就在我們周圍,等待著被利用。像許多聽起來好得難以置信的想法一樣,這個想法在仔細審查後就會瓦解,儘管零點能量的概念本身就非常引人入勝。內布拉斯加大學奧馬哈分校的材料科學研究員約翰·奧比寧解釋說:
“零點能量指的是電磁(和其他)力場的隨機量子漲落,這些漲落存在於真空中的任何地方;換句話說,“空”真空實際上是一個能量沸騰的坩堝。即使在絕對零度溫度(-273 攝氏度)下,當然,即使在沒有物質存在的情況下,這種能量也存在。這些真空場的影響已經被勉強檢測到——這種影響非常微小——它們在電容器中引起的吸引力,電容器實際上只是兩個靠近的平行金屬板。這種效應是亨德里克·卡西米爾(Hendrick B. G. Casimir)在 1948 年做出的著名預測;M. J. Sparnaay 在 1958 年非常粗略地“證實”了這一點。斯蒂芬·K·拉莫雷奧克斯(Steven K. Lamoreaux)最近一項廣受關注的實驗(《物理評論快報》,第 78 卷,第 1 期,第 5-8 頁;1997 年 1 月 6 日)非常精確且明確地證實了卡西米爾力的存在。
“這些真空漲落可能對微觀粒子的行為以及我們周圍的世界產生微妙和粗糙的影響。俄羅斯物理學家安德烈·薩哈羅夫推測,它們可能產生引力。目前,沒有人知道如何在宏觀裝置中利用零點能量來提供大量的能量。然而,有相當多的邊緣群體(類似於那些被不明飛行物、占星術、命理學等吸引的人)推測和幻想利用零點能量來實現各種技術奇蹟和長期尋求的“永動機”。請注意警告。”
約翰·貝茲是加州大學河濱分校數學系的成員,也是線上 sci.physics.research 新聞組的版主之一。他補充了一些背景資訊
“真空能量的概念出現在量子場論的某些計算中,量子場論是我們用來進行現代粒子物理學的工具。在現實中,粒子透過各種力相互作用。這是一項複雜的工作,因此在量子場論中,我們首先研究一個理想化的模型,其中粒子根本不相互作用。這被稱為“自由場理論”。然後,我們使用這個自由場理論作為研究我們真正感興趣的“相互作用場理論”的基礎。
“在量子場論中,真空態被定義為具有最小能量密度的狀態。當我們使用自由場理論來研究相互作用場理論時,會發生一些有趣的事情:自由場理論的真空態與相互作用場理論的真空態不同。相互作用場理論的真空態可能比自由場理論的真空態具有更多或更少的能量;這種差異稱為真空能量。
“然而,不應過於字面地理解這種真空能量,因為自由場理論只是一種數學工具,可以幫助我們理解我們真正感興趣的東西:相互作用理論。只有相互作用理論才應該直接對應於現實。由於相互作用理論的真空態是現實中能量最小的狀態,因此無法提取真空能量並將其用於任何目的。
“這有點像這樣:假設一家銀行(出於某種奇怪的原因)發現從 1,000 開始計數更方便,因此即使您在銀行裡沒有錢,您的賬戶也會顯示 1,000 美元。您可能會感到興奮並嘗試花費這 1,000 美元,但銀行會說,‘抱歉,這 1,000 美元只是我們記賬方式的人為產物:您實際上身無分文。’
“同樣,當人們談論真空能量時,不應抱有希望。這只是我們在量子場論中記賬的方式。關於為什麼我們以這種有趣的方式記賬,還有很多話要說,但我會在這裡停止。”
弗吉尼亞理工學院暨州立大學化學助理教授保羅·A·德克從化學角度給出了對這個問題的看法
“零點能量不能以傳統意義上的方式被利用。零點能量的概念是,即使在絕對零度下,所有物質中也存在有限的、最小的運動量(更準確地說,是動能)。例如,化學鍵繼續以可預測的方式振動。但是釋放這種運動的能量是不可能的,因為那樣分子將剩餘的能量將少於量子物理定律要求它擁有的最小值。”