انرژی نقطه صفر

انرژی نقطه صفر (ZPE)(به انگلیسی zero-point energy) کم ترین انرژی ممکنی است که یک سیستم مکانیکی کوانتومی می تواند داشته باشد. برخلاف مکانیک کلاسیک، سیستم های کوانتومی دائماً در کمترین حالت انرژی خود بر اساس اصل عدم قطعیت هایزنبرگ در نوسان هستند (مثالی که درپاراگراف بعدی در ادامه مقاله آمده را برای فهم رابطه بین اصل عدم قطعیت و انرژی نقطه صفر مطالعه کنید.).  مانند اتمها و مولکولها، فضای خالی خلاء نیز این خصوصیات را دارد و مثلا ذراتی مرتبا در آن ایجاد شده و از بین می روند که به این پدیده نوسان کوانتومی می گویند.طبق نظریه میدان های کوانتومی، می توان جهان را نه به عنوان ذرات جدا از هم، بلکه به عنوان میدان هایی که لحظه ای از نوسان نمی ایستند تصور کرد: میدان های ماده، که کوآنتای آنها فرمیون ها هستند (به عنوان مثال لپتون ها و کوارک ها) و میدان های نیرو که کوآنتای آنها بوزون ها هستند (مانند فوتون ها و گلئون ها). تمام این میدان ها انرژی صفرنقطه دارند.این میدان های نوسان نقطه صفر منجر به نوعی بازگشت به مفهوم اتر در فیزیک می شوند مفهومی که پس از آزمایش مایکلسون و مورلی کنار گذاشته شده بود . برخی سیستم ها می توانند وجود این انرژی را حتی در خلا تشخیص دهند. با این حال  این اتر را نمی توان به عنوان یک محیط  فیزیکی تصور کرد که در این صورت هیچ گونه تضادی با نظریه نسبیت خاص انیشتین نخواهد داشت.

هلیوم مایع انرژی جنبشی اش را حفظ می کند و بدون توجه به دما به دلیل انرژی نقطه صفر یخ نمی زند. هنگامی که زیر نقطه لاندا آن سرد شود ، خاصیت ابرشارگی از خود بروز می دهد

برای مثال انرژی الکترون نمی‌تواند صفر شود، اما الکترون باید یک انرژی نقطه صفر داشته باشد. بمانند گاری غلتانی که روی یک ریل و میان یک دره واقع شده‌است. طبق فیزیک کلاسیک این گاری در نهایت از حرکت کاملاً بازمی‌ایستد و برای همیشه در پایین ترین نقطه دره (کمترین میزان انرژی) می‌ماند، مگر نیرویی بر آن وارد شود. اگر در مکانیک کوانتومی الکترون همان گاری فرض شود، طبق اصل عدم قطعیت نمی‌تواند کاملاً از حرکت بازایستد، در صورت توقف کامل، مکان و اندازه حرکت به صورت همزمان بدست می‌آید اما عدم قطعیت اجازهٔ چنین اتفاقی را نمی‌دهد. بر اساس مکانیک کوانتومی، الکترون در نزدیکی ته دره در جنب و جوش خواهد بود و هرگز آرام نخواهد گرفت. این حرکت همیشگی، جنبش نقطه صفر نام دارد. به این شکل، انرژی الکترون نیز نمی‌تواند صفر بشود، اما دارای انرژی کمینه‌ای است که به آن انرژی نقطه صفر می‌گویند.

تابش نقطه صفر به طور مداوم تکانه های تصادفی را بر روی یک الکترون اعمال می کند ، به طوری که الکترون هرگز متوقف نمی شود. تابش صفر نقطه به نوسان  انرژی معادل متوسط فرکانس نوسانات ضرب شده در نیمی از ثابت پلانک می دهد.

مشاهدات تجربی

اثر کاسیمیر

اثر کاسیمیر شرح می دهد که چگونه نوسانات کوانتومی , یک نیروی جذاب بین دو سطح جدا شده توسط یک خلا ایجاد می کند.

جابه‌جایی لمب

نوسانات کوانتومی میدان الکترومغناطیسی دارای پیامدهای فیزیکی مهمی است. علاوه بر اثر کاسیمیر ، آنها همچنین منجر به تقسیم  دو سطح انرژی (در اصطلاح نماد ²S_1/2 و ²P_1/2) اتم هیدروژن می شوند که توسط معادله دیراک قابل پیش بینی نیست ، براساس آن این حالت ها باید انرژی یکسانی داشته باشند. ذرات باردار می تواند با نوسانات میدان خلاء کمی تعامل داشته باشد و منجر به تغییرات جزئی در انرژی شود ، این اثر را جابه‌جایی لمب می نامند.

ثابت ساختار ریز

ثابت ساختار ریز، ثابتی است که با  الکترودینامیک کوانتومی (QED) کوپل است و قدرت برهمکنش بین الکترون ها و فوتون ها را تعیین می کند. به نظر می رسد که ثابت ساختار ریز به دلیل نوسانات انرژی نقطه صفر حاصل  از میدان الکترون-پوزیترون ، اصلاً ثابت نیست. نوسانات کوانتومی ناشی از انرژی نقطه صفر اثر پویش میدان الکتریکی را ناشی می شود: به دلیل تولید مجازی جفت الکترونی-پوزیترون ، بار ذره ای که به دور از ذره اندازه گرفته می شود به مراتب کمتر از بار اندازه گیری شده در نزدیکی آن است.

پخش رسانه

نور از سطح یک ستاره نوترونی بشدت مغناطیسی (سمت چپ) منتشر شده، با عبور از درون خلاء به صورت خطی قطبیده می‌شود.

دوشکستگی خلا

با حضور میدانهای الکترواستاتیک قوی پیش بینی می شود که ذرات مجازی از خلاء جدا شده و به ماده واقعی تبدیل شوند همچنین میدان های مغناطیسی قوی انرژی موجود در خلا را تغییر می دهند. در این مرحله ، خلاء دارای تمام خصوصیات یک محیط دوشکستگی است ، بنابراین  می توان چرخش در قطبش قاب (اثر فارادی) را در فضای خالی مشاهده کرد.

گمانه زنی ها در سایر پدیده ها

انرژی تاریک

در اواخر دهه 1990 کشف شد که ابرنواخترهای بسیار دور از آنچه که انتظار می رفت کم رنگ تر بودند که نشان می داد گسترش جهان به جای کند شدن سرعت می یابد.این مسئله و تعداد دیگری از مشاهدات منجر به ایجاد مفهومی به عنوان انرژی تاریک به عنوان منشع انرژی این انبساط با سرعت افزاینده شد. این بحث مفهوم ثابت کیهان شناسی انیشتین را که مدتها توسط فیزیکدانان نادیده گرفته شده بود و آن را برابر صفر فرض کرده بودند احیا کرد . در حقیقت مشخص شد که مقدار آن کمی مثبت بوده است. این نشان می دهد فضای خالی نوعی فشار منفی یا انرژی اعمال میکند.هیچ کاندیدای طبیعی برای آنچه ممکن است انرژی تاریک باشد وجود ندارد فعلا بهترین حدس انرژی نقطه صفر خلا است.

تورم کیهانی

تورم کیهانی گسترش سریع تر از نور فضا درست بعد از انفجار بزرگ است که منشا ساختارهای بزرگ مقیاس کیهان را توضیح می دهد . اعتقاد بر این است که نوسانات خلاء کوانتومی ناشی از انرژی نقطه صفر که در دوره تورمی میکروسکوپی ظاهر شدند، بعداً به اندازه کیهانی بزرگتر شدند و به دانه های گرانشی برای کهکشان ها و ساختارهای  موجود در جهان تبدیل شده اند (به شکل‌گیری و تکامل کهکشان‌ها و تشکیل ساختار مراجعه کنید).

جستارهای وابسته

• اثر کاسیمیر
• حالت پایه
• جابه جایی لمب
• خلا QED
• خلا QCD
• نوسانات کوانتمی
• کف کوانتمی
• میدان نرده ای
• Stochastic electrodynamics
• کریستال زمان
• Topological order
• اثر آنرو
• انرژی خلا
• Vacuum expectation value
• حالت خلا
• ذره مجازی