Отрицательная энергия
Отрицательная энергия — это концепция, используемая в физике для объяснения природы определенных полей , включая гравитационное поле и различные квантового поля эффекты .
Гравитационная энергия [ править ]
Гравитационная энергия, или гравитационная потенциальная энергия, — это потенциальная энергия, которой обладает массивный объект, поскольку он находится в гравитационном поле. В классической механике две и более массы всегда обладают гравитационным потенциалом . Сохранение энергии требует, чтобы энергия гравитационного поля всегда была отрицательной, то есть она была равна нулю, когда объекты находятся на бесконечно большом расстоянии друг от друга. Когда два объекта раздвигаются и расстояние между ними приближается к бесконечности, сила гравитации между ними приближается к нулю с положительной стороны действительной числовой линии, а гравитационный потенциал приближается к нулю с отрицательной стороны. И наоборот, когда два массивных объекта движутся навстречу друг другу, движение ускоряется под действием силы тяжести, вызывая увеличение (положительной) кинетической энергии системы и, чтобы сохранить общую сумму энергии, увеличение той же величины гравитационной энергии. потенциальная энергия объекта считается отрицательной. [1]
Вселенная большого , в которой доминирует положительная энергия, в конечном итоге рухнет в результате « большого сжатия », тогда как «открытая» вселенная, в которой доминирует отрицательная энергия, будет либо бесконечно расширяться, либо в конечном итоге распадется в результате « разрыва ». В модели Вселенной с нулевой энергией («плоской» или «евклидовой») общее количество энергии во Вселенной равно нулю : количество положительной энергии в форме материи в точности компенсируется ее отрицательной энергией в форме гравитации . [2] Неясно, какая из этих моделей точно описывает реальную Вселенную.
Эргосфера черной дыры [ править ]
Для классической вращающейся черной дыры вращение создает эргосферу за пределами горизонта событий, в которой само пространство-время начинает вращаться — явление, известное как перетаскивание кадра. Поскольку эргосфера находится за горизонтом событий, частицы могут покинуть ее. Внутри эргосферы энергия частицы может стать отрицательной (за счет релятивистского вращения ее вектора Киллинга ). Частица с отрицательной энергией затем пересекает горизонт событий и попадает в черную дыру, причем закон сохранения энергии требует, чтобы из нее ушло равное количество положительной энергии.
В процессе Пенроуза тело делится на две части: одна половина получает отрицательную энергию и падает, а другая половина получает равное количество положительной энергии и ускользает. Предполагается, что это является механизмом интенсивного излучения квазаров . генерации [3]
Эффекты квантового поля [ править ]
Отрицательные энергии и отрицательная плотность энергии согласуются с квантовой теорией поля . [4]
Виртуальные частицы [ править ]
В квантовой теории принцип неопределенности позволяет заполнить вакуум пространства виртуальными парами частица-античастица, которые появляются спонтанно и существуют лишь короткое время, прежде чем, как правило, снова аннигилируют. Некоторые из этих виртуальных частиц могут иметь отрицательную энергию. Такое поведение играет роль в нескольких важных явлениях, как описано ниже.
Эффект Казимира [ править ]
В эффекте Казимира две плоские пластины, расположенные очень близко друг к другу, ограничивают длины волн квантов, которые могут существовать между ними. Это, в свою очередь, ограничивает типы и, следовательно, количество и плотность пар виртуальных частиц , которые могут образовываться в промежуточном вакууме и могут привести к отрицательной плотности энергии. Поскольку этого ограничения не существует или оно гораздо менее существенно на противоположных сторонах пластин, силы снаружи пластин больше, чем между пластинами. Это приводит к тому, что пластины притягиваются друг к другу, что и было измерено. Точнее, энергия вакуума, создаваемая парами виртуальных частиц, сталкивает пластины вместе, а энергия вакуума между пластинами слишком мала, чтобы свести на нет этот эффект, поскольку в единице объема между пластинами может существовать меньше виртуальных частиц, чем вне их. [5]
Сжатый свет [ править ]
Можно расположить несколько лучей лазерного света так, чтобы разрушительная квантовая интерференция подавляла флуктуации вакуума . Такое состояние сжатого вакуума предполагает отрицательную энергию. Повторяющаяся форма волны света приводит к чередованию областей положительной и отрицательной энергии. [5]
Море Дирака [ править ]
Согласно теории моря Дирака , разработанной Полем Дираком в 1930 году, космический вакуум наполнен отрицательной энергией. Эта теория была разработана для объяснения аномалии квантовых состояний с отрицательной энергией , предсказанной уравнением Дирака . Год спустя, после работы Вейля , от концепции отрицательной энергии отказались и заменили ее теорией антиматерии . [6] : 9 открыл позитрон В следующем, 1932 году, Карл Андерсон .
квантовой Явления гравитации
Интенсивные гравитационные поля вокруг черных дыр создают явления, которые объясняются как гравитационными, так и квантовыми эффектами. частицы В таких ситуациях вектор Киллинга может быть повернут так, что ее энергия станет отрицательной. [7]
Излучение Хокинга [ править ]
Виртуальные частицы могут существовать в течение короткого периода времени. Когда пара таких частиц появляется рядом с горизонтом событий черной дыры, одна из них может быть втянута внутрь. При этом ее вектор Киллинга вращается так, что ее энергия становится отрицательной, и пара не имеет чистой энергии. Это позволяет им стать реальными, и положительная частица уходит в виде излучения Хокинга , в то время как частица с отрицательной энергией уменьшает чистую энергию черной дыры. Таким образом, черная дыра может медленно испаряться. [8] [9]
Спекулятивные предложения [ править ]
Червоточины [ править ]
Отрицательная энергия появляется в спекулятивной теории червоточин , где она необходима для поддержания червоточины открытой. Червоточина напрямую соединяет два места, которые могут быть разделены сколь угодно далеко друг от друга как в пространстве, так и во времени, и в принципе позволяет практически мгновенно перемещаться между ними. Однако физики, такие как Роджер Пенроуз, считают такие идеи нереалистичными, скорее фикцией, чем предположениями. [10]
Варп-двигатель [ править ]
теоретический принцип варп-двигателя космических кораблей со сверхсветовой скоростью Был предложен основан , использующий отрицательную энергию. Привод Алькубьерре на решении уравнений поля Эйнштейна общей теории относительности , в котором «пузырь» пространства-времени создается с использованием гипотетической отрицательной энергии. Затем пузырь перемещается, расширяя пространство позади него и сжимая пространство перед ним. Пузырь может двигаться с произвольной скоростью и не ограничен скоростью света. Это не противоречит общей теории относительности, поскольку содержимое пузыря фактически не перемещается в локальном пространстве-времени. [5]
отрицательной Частицы энергии
Спекулятивные теоретические исследования показали, что частицы с отрицательной энергией согласуются с релятивистской квантовой теорией, при этом некоторые отмечают взаимосвязи с отрицательной массой и/или обращением времени. [11] [12] [13]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
Встроенные заметки [ править ]
- ^ Алан Гут Инфляционная Вселенная: В поисках новой теории космического происхождения (1997), Random House, ISBN 0-224-04448-6 Приложение A: Гравитационная энергия демонстрирует отрицательность гравитационной энергии.
- ^ Стивен Хокинг; Великий замысел , 2010, стр. 180.
- ^ Пенроуз 2005, стр. 836-9.
- ^ Эверетт, Аллен; Роман, Томас (2012). Путешествие во времени и варп-двигатели . Издательство Чикагского университета . п. 167 . ISBN 978-0-226-22498-5 .
- ^ Перейти обратно: а б с Форд и Роман, 2000 г.
- ^ Дак, Ян; Сударшан, ЭКГ (март 1998 г.). Паули и теорема спиновой статистики . МИРОВАЯ НАУЧНАЯ. дои : 10.1142/3457 . ISBN 978-981-02-3114-9 .
- ^ Пенроуз 2005, стр. 833-4, 836-7.
- ^ Стивен Хокинг; Краткая история времени , Bantam, 1988, страницы 105–107. ISBN 0-593-01518-5
- ^ Пенроуз 2005, стр. 836-7.
- ^ Пенроуз 2005, стр.833-4. «... (на мой взгляд, ошибочное) намерение показать, что между вселенными путешествует некая научно-фантастическая «червоточина»…»
- ^ Н. Деберг, Дж. П. Пети и Дж. Д'Агостини; « О доказательствах отрицательных энергий и масс в уравнении Дирака с помощью унитарного оператора обращения времени », Journal of Physics Communications , Том 2, номер 11, 2018.
- ^ Хунвэй Ю и Вэйсин Шу; «Квантовые состояния с отрицательной плотностью энергии в поле Дирака и квантовые неравенства», Physics Letters B , том 570, выпуски 1–2, 18 сентября 2003 г., страницы 123–128 ' [1]
- ^ Фредерик Анри-Куаннье; « Отрицательные энергии и обращение времени в квантовой теории поля и общей теории относительности: темная сторона гравитации », HAL Open Science , 2004. ⟨hal-00001476v1⟩
Библиография [ править ]
- Лоуренс Х. Форд и Томас А. Роман; «Отрицательная энергия, червоточины и варп-двигатель», Scientific American , январь 2000 г., 282 , страницы 46–53.
- Роджер Пенроуз; Дорога к реальности , ppbk, Vintage, 2005. Глава 30: Роль гравитации в уменьшении квантового состояния.