对此问题的早期回复已确定了利用零点能量进行实际应用是不切实际的。圣路易斯华盛顿大学的马特·维瑟补充了一些技术细节
零点能量 (ZPE) 是量子物理学固有的且不可避免的一部分。自 1920 年代量子力学被发现以来,人们对零点能量进行了理论和实验研究,毫无疑问,零点能量是一种真实的物理效应。“真空能量”是零点能量的一个具体例子,它引起了相当大的怀疑和困惑。在一个完全空旷的平坦宇宙中,真空能量的计算结果会产生无限大的正负值——这显然与真实世界的本质不符。
观测表明,在我们的宇宙中,真空能量的总量非常小,甚至可能完全为零。许多理论家怀疑真空能量的总量恰好为零。
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操纵真空能量绝对是可能的。任何改变真空能量的物体(例如,导体、电介质和引力场)都会扭曲量子力学真空态。这些真空能量的变化通常比真空能量本身的总量更容易计算。有时我们甚至可以在实验室实验中测量这些真空能量的变化。
在经典物理学中,如果您有一个受到某种保守力作用的粒子,则总能量为 E = (1/2) mv2 + V(x)。为了找到经典基态,将速度设置为零以最小化动能 (1/2)mv2,并将粒子放置在势能 V(x) 最低的点。但这结果只是对真实世界的经典近似。由于经典基态完全指定了粒子的速度(零)和位置(在最小值处),因此它违反了著名的海森堡不确定性原理 (m dv dx > hbar)。量子物理学通过不确定性原理,迫使粒子在位置和速度上都散布开来,因此导致它的能量略高于经典最小值。零点能量被定义为这种偏移
量子力学上,现在本科生就可以使用海森堡不确定关系(更精确地说,是薛定谔微分方程)来证明
下一步是认识到电磁场可以被认为是空间中每个点的无限耦合振荡器的集合。同样,经典基态是电场和磁场都必须为零的情况。量子效应意味着这种情况不成立;电场和磁场也存在海森堡不确定性原理(稍微复杂一些)。好消息是电磁学的势能恰好是二次的,因此可以精确求解。坏消息是有无限多的模式。形式上,我们可以写成
第一个也是最明显的问题是,宇宙中除了电磁场之外,还有其他量子场。首先是电子,以及中微子、夸克、胶子、W、Z、希格斯等等。特别是,如果您进行电子的计算,您会发现所谓的费米统计在计算中会产生一个额外的负号。
将负无穷大加到正无穷大会让数学家感到噩梦,甚至让理论物理学家也有些担忧。幸运的是,大自然并不担心数学家或物理学家的想法,而是自动为我们完成这项工作。考虑真空能量的总量(一旦我们加入了所有量子场、所有粒子相互作用,通过各种手段保持一切有限,并在最后采取所有适当的极限)。这个真空能量的总量还有另一个名称:它被称为“宇宙常数”,我们可以通过观测来测量它。
在其最初的形式中,宇宙常数是爱因斯坦手工添加到广义相对论(他的引力理论)中的东西。粒子物理学家后来接管了这个想法,并通过用零点能量和真空能量来物理地描述它,从而将其据为己有。天体物理学家现在正忙于对宇宙常数进行观测限制。从宇宙学的角度来看,这些限制仍然相当宽泛:宇宙常数有可能提供宇宙总质量的 60% 到 80%。
然而,从粒子物理学的角度来看,这些限制极其严格:宇宙常数比人们从粒子物理学方程中天真地估计的值小 10(-123) 倍以上。宇宙常数很可能正好为零。(物理学家仍在争论这个问题。)即使宇宙常数不为零,它在粒子物理学尺度上、在人类工程尺度上肯定也很小,并且太小而不可能成为人类需求的任何可能的能源——更不用说我们没有任何关于如何大规模操纵宇宙常数的好的想法。
将免费午餐人群的更奇异的幻想放在一边,我们是否有更可靠的方法来利用零点能量?事实证明,小规模操纵零点能量确实是可能的。通过引入导体或电介质,可以影响电磁场,从而引起量子力学真空的变化,从而导致零点能量的变化。这就是一种称为卡西米尔效应的特殊物理现象的基础。在经典世界中,完全中性的导体不会相互吸引。然而,在量子世界中,中性导体会扰乱量子电磁真空,并在导体移动时产生有限的可测量的能量变化。有时我们甚至可以计算能量的变化并将其与实验进行比较。这些效应无疑都是真实且无可争议的,但非常微小。
更具争议性的是物理学家朱利安·施温格提出的建议,即电介质中的零点能量与声致发光有关。关于这一点,陪审团仍在评判,并且正在进行许多礼貌的讨论(包括实验主义者,他们不确定哪种竞争机制是正确的,以及理论家,他们仍然不同意电介质中卡西米尔效应的精确大小和性质。)更具推测性的是将卡西米尔效应与中子星上的“星震”和伽马射线暴联系起来的建议。
总之,毫无疑问,零点能量、真空能量和卡西米尔效应在物理上是真实的。我们操纵这些量的能力是有限的,但在某些情况下具有技术意义。但是免费午餐人群大大夸大了零点能量的重要性。因此,对于开采零点能量的概念应持极其怀疑的态度
从一些狂热爱好者谈论零点能量的方式来看,人们可能会认为无限的能量就在我们周围,等待着被利用。像许多听起来好得难以置信的想法一样,这个想法在仔细审查后就会瓦解,尽管零点能量的概念本身就非常引人入胜。内布拉斯加大学奥马哈分校的材料科学研究员约翰·奥比宁解释说:
“零点能量指的是电磁(和其他)力场的随机量子涨落,这些涨落存在于真空中的任何地方;换句话说,“空”真空实际上是一个能量沸腾的坩埚。即使在绝对零度温度(-273 摄氏度)下,当然,即使在没有物质存在的情况下,这种能量也存在。这些真空场的影响已经被勉强检测到——这种影响非常微小——它们在电容器中引起的吸引力,电容器实际上只是两个靠近的平行金属板。这种效应是亨德里克·卡西米尔(Hendrick B. G. Casimir)在 1948 年做出的著名预测;M. J. Sparnaay 在 1958 年非常粗略地“证实”了这一点。斯蒂芬·K·拉莫雷奥克斯(Steven K. Lamoreaux)最近一项广受关注的实验(《物理评论快报》,第 78 卷,第 1 期,第 5-8 页;1997 年 1 月 6 日)非常精确且明确地证实了卡西米尔力的存在。
“这些真空涨落可能对微观粒子的行为以及我们周围的世界产生微妙和粗糙的影响。俄罗斯物理学家安德烈·萨哈罗夫推测,它们可能产生引力。目前,没有人知道如何在宏观设备中利用零点能量来提供大量的能量。然而,有相当多的边缘群体(类似于那些被不明飞行物、占星术、命理学等吸引的人)推测和幻想利用零点能量来实现各种技术奇迹和长期寻求的“永动机”。请注意警告。”
约翰·贝兹是加州大学河滨分校数学系的成员,也是在线 sci.physics.research 新闻组的版主之一。他补充了一些背景信息
“真空能量的概念出现在量子场论的某些计算中,量子场论是我们用来进行现代粒子物理学的工具。在现实中,粒子通过各种力相互作用。这是一项复杂的工作,因此在量子场论中,我们首先研究一个理想化的模型,其中粒子根本不相互作用。这被称为“自由场理论”。然后,我们使用这个自由场理论作为研究我们真正感兴趣的“相互作用场理论”的基础。
“在量子场论中,真空态被定义为具有最小能量密度的状态。当我们使用自由场理论来研究相互作用场理论时,会发生一些有趣的事情:自由场理论的真空态与相互作用场理论的真空态不同。相互作用场理论的真空态可能比自由场理论的真空态具有更多或更少的能量;这种差异称为真空能量。
“然而,不应过于字面地理解这种真空能量,因为自由场理论只是一种数学工具,可以帮助我们理解我们真正感兴趣的东西:相互作用理论。只有相互作用理论才应该直接对应于现实。由于相互作用理论的真空态是现实中能量最小的状态,因此无法提取真空能量并将其用于任何目的。
“这有点像这样:假设一家银行(出于某种奇怪的原因)发现从 1,000 开始计数更方便,因此即使您在银行里没有钱,您的账户也会显示 1,000 美元。您可能会感到兴奋并尝试花费这 1,000 美元,但银行会说,‘抱歉,这 1,000 美元只是我们记账方式的人为产物:您实际上身无分文。’
“同样,当人们谈论真空能量时,不应抱有希望。这只是我们在量子场论中记账的方式。关于为什么我们以这种有趣的方式记账,还有很多话要说,但我会在这里停止。”
弗吉尼亚理工学院暨州立大学化学助理教授保罗·A·德克从化学角度给出了对这个问题的看法
“零点能量不能以传统意义上的方式被利用。零点能量的概念是,即使在绝对零度下,所有物质中也存在有限的、最小的运动量(更准确地说,是动能)。例如,化学键继续以可预测的方式振动。但是释放这种运动的能量是不可能的,因为那样分子将剩余的能量将少于量子物理定律要求它拥有的最小值。”