Концепция отрицательной энергии в физике

Отрицательная энергия — загадочное понятие в мире физики, которое на первый взгляд больше подходит для страниц научно-фантастического романа, чем для реальной жизни. Но насколько реально ее существование и какие есть возможности ее применения?

Суммарная энергия во Вселенной

Гравитационная потенциальная энергия, которая удерживает два материальных объекта в контакте друг с другом, должна быть отрицательной, поскольку для их разрыва требуется положительная энергия. Считая Вселенную примерно однородной, можно показать, что полная отрицательная гравитационная энергия в ней точно компенсирует полную положительную энергию, представленную материей. Следовательно, полная энергия Вселенной в целом равна нулю.

«Бог не играет в кости!» – эти слова произнес Альберт Эйнштейн, чтобы выразить свое недовольство странными следствиями принципа неопределенности. В конце концов, сказал он, как мир вокруг нас может быть настолько случайным, что даже с помощью физики невозможно сделать какое-либо предсказание о нем с уверенностью?

Квантовой механике присуще свойство сбивать с толку здравый смысл, и принцип неопределенности Гейзенберга находится в самом центре всей этой путаницы. Среди нескольких сбивающих с толку концепций, возникших на протяжении многих лет из принципа неопределенности, одной из них является отрицательная энергия.

Но это не просто физический трюк. Мы должны понимать, что, как и все другие, казалось бы, невозможные концепции и теории квантовой механики, она так же реальна, как и сама жизнь. Она показывает, что даже Эйнштейн мог ошибаться.

Концепция отрицательной энергии

В 1928 году физик Поль Дирак сформулировал уравнение для описания динамики электронов. Это уравнение было очень успешным для предсказания спина (момент импульса), а также магнитного момента электрона.

Однако в нем также выдвигалось весьма своеобразное положение — электрон может иметь как положительную, так и отрицательную кинетическую энергию. Кроме того, когда был принят во внимание принцип исключения Паули, можно было представить себе целое море с бесконечным числом электронов с отрицательной кинетической энергией.

Это был первый раз, когда физика указала на существование отрицательной энергии. Но как энергия может быть отрицательной? А если отрицательная энергия существовала, то почему мы не видим и не чувствуем ее присутствия?

Чтобы объяснить свои выводы, Дирак заявил, что в природе квантовые состояния положительной энергии точно уравновешиваются квантовыми состояниями отрицательной энергии. Таким образом, чистый эффект остается нулевым, и поэтому мы не можем видеть или чувствовать воздействие отрицательной энергии в обычных повседневных условиях.

Однако он предположил, что если бы можно было создать идеальный вакуум, в котором были бы устранены все эффекты положительной энергии, то можно было бы подтвердить присутствие моря Дирака и, следовательно, отрицательной энергии.

Но создание идеального вакуума в то время казалось невозможным, а значит, существование отрицательной энергии не могло быть доказано. Это бросило тень сомнения на само понятие отрицательной энергии. Многие ученые начали подвергать сомнению вероятность ее существования, пока голландский физик Хендрик Казимир с помощью новаторского эксперимента не смог показать, что она действительно существует.

Открытие отрицательной энергии: эффект Казимира

Хотя его уравнение предсказывало существование отрицательной энергии, Дирак не смог экспериментально проверить это предсказание. Таким образом, отрицательная энергия оставалась только теорией, пока в 1948 году Хендрик Казимир не предложил эксперимент, который мог бы продемонстрировать эффекты, производимые отрицательной энергией.

Он утверждал, что если бы эффекты гравитации и электромагнетизма были сведены на нет, то был бы создан почти чистый вакуум, в котором эффекты отрицательной энергии проявились бы наблюдаемым образом в форме чего-то, известного как эффект Казимира. Ниже показано, как можно экспериментально наблюдать эффект Казимира.

Экспериментальная установка

Две чрезвычайно тонкие и легкие плоские металлические пластины помещены в вакуум. Они расположены параллельно друг другу и находятся на очень небольшом расстоянии друг от друга. Как правило, расстояние между ними должно быть всего 10 ^-6 м, чтобы эффект Казимира работал.

Их небольшой вес значительно снижает действие гравитации и, находясь в вакууме, на них не может действовать никакая другая сила. Наконец, обе эти пластины заземлены с помощью проводов, соединенных с землей, чтобы снять с них любой заряд. Таким образом, эффекты электричества и магнетизма также сведены на нет, и две пластины теперь находятся почти в чистом вакууме.

Когда создается вышеуказанная установка, происходит очень странный эффект. Без присутствия какой-либо энергии или приложения какой-либо внешней силы две параллельные пластины самопроизвольно сближаются, пока расстояние между ними не станет равным нулю, и они не коснутся друг друга.

Вывод

Приведенное выше наблюдение является результатом эффекта Казимира. Согласно Дираку, вокруг нас существует отрицательная энергия, но ее присутствие невозможно определить, поскольку она уравновешивается присутствующей повсюду положительной энергией.

Вакуум, созданный в вышеупомянутом эксперименте, является чистым вакуумом. Все эффекты внешней положительной энергии и силы были удалены или сведены на нет. Таким образом, отрицательной энергии позволяется свободно проявляться, и внутри вакуумной камеры создается гипотетическое дираковское море отрицательной энергии. Ниже приводится теоретическое объяснение этого.

Согласно принципу неопределенности, область небытия (вакуум) может быть заполнена бесконечным числом микроскопических частиц, известных как виртуальные частицы. Эти частицы появляются и исчезают случайным образом. Вместе они составляют море Дирака. Каждая из этих частиц имеет связанную с ней волну, которую можно представить себе как волны в море. Эти волны вместе оказывают давление на плоские металлические пластины со всех сторон.

Теперь, когда между металлическими пластинами имеется лишь небольшое пространство, там может появиться ограниченное количество частиц с отрицательной энергией. Это вызывает небольшое давление на металлические пластины из-за того, что соответствующая волна каждой частицы действует изнутри наружу.

Для сравнения, во внешнем пространстве вокруг металлических пластин способно проявиться гораздо большее количество частиц с отрицательной энергией. Их связанные волны вместе оказывают гораздо большее давление в направлении снаружи внутрь, в результате чего две металлические пластины сближаются, пока они не соприкоснутся.

Таким образом, эффект Казимира показывает, что разница в плотности энергии между двумя незаряженными металлическими пластинами и вокруг них заставляет их притягиваться друг к другу. Так как вся система первоначально находилась в состоянии нулевой энергии и в нее не вводилась положительная энергия, то энергия, затрачиваемая на совершение работы по перемещению пластин вместе, должна быть отрицательной. Таким образом, эффект Казимира доказывает существование отрицательной энергии в вакууме.

Эффект Казимира был впервые практически подтвержден в эксперименте, подобном вышеприведенному. Один из первых экспериментов провел в 1958 году Маркус Спаарней из центра Philips в Эйндховене. Он пришёл к выводу, что его результаты «не противоречат теоретическим предсказаниям Казимира». В 1997 году началась серия гораздо более точных экспериментов, в которых было установлено согласие между наблюдаемыми результатами и теорией с точностью более 99 %.

Действие отрицательной энергии

С момента своего появления и экспериментальной проверки концепция отрицательной энергии стала неотъемлемой частью современной физики. Ниже приведены несколько примеров, которые подчеркивают важность отрицательной энергии.

Черные дыры

В 1974 году Стивен Хокинг предсказал, что черная дыра, гравитация которой настолько сильна, что она не позволяет вырваться даже свету, на самом деле испарится с течением времени. Это явление, позже известное как излучение Хокинга, казалось, противоречило законам физики.

Чтобы объяснить это, Хокинг заявил, что производство положительной энергии в виде излучения черной дыры сопровождается притоком в нее отрицательной энергии, что приводит к сохранению энергии.

Когда виртуальные частицы появляются вблизи крайней кривизны пространства-времени у края черной дыры, т. е. у горизонта событий, можно удалиться от черной дыры и войти в нее. Если в черную дыру упадет частица с отрицательной энергией, это приведет к уменьшению массы черной дыры.

Если это будет продолжаться достаточно долго, масса черной дыры будет продолжать уменьшаться, пока не станет равной нулю и пока черная дыра не испарится.

Червоточины

Еще одна важная концепция, в которой отрицательная энергия играет жизненно важную роль, — это искривление пространства-времени, известное как червоточина (кротовая нора).

Червоточина — это, по сути, гипотетический туннель в пространстве-времени, который соединяет одну область пространства с другой.

Она может действовать как космический короткий путь, который можно использовать для достижения регионов Вселенной, находящихся на расстоянии многих световых лет, всего за несколько часов или дней.

Однако законы физики гласят, что червоточина, достаточно большая, чтобы вместить космический корабль, схлопнется под действием собственной гравитации так быстро, что даже луч света не успеет пересечь ее.

Концепция отрицательной энергии приходит как решение этой проблемы. Отрицательная энергия обладает гравитационно-отталкивающим действием, и, следовательно, используя ее, червоточина может оставаться открытой, освобождая место для возможности межзвездных космических путешествий.

Варп-двигатель

Специальная теория относительности Эйнштейна утверждает, что ничто не может превышать скорость света. Это космологический предел, который нельзя превзойти. Однако концепция отрицательной энергии предлагает способ обойти эту проблему, допуская возможность создания варп-двигателя.

В 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре нашел решение уравнений Эйнштейна, которое можно использовать для создания варп-двигателя, состоящего из искривленного пространственно-временного пузыря, который будет перемещать космический корабль со сверхсветовой скоростью из одной области пространства в другую.

Расчеты показали, что для создания и поддержания варп-пузыря потребуется отрицательная энергия.

Такой варп-пузырь будет вмещать космический корабль и перемещать его с произвольной скоростью. Это будет происходить не за счет фактического приведения в движение космического корабля, а за счет манипулирования пространством-временем.

Пространство-время перед пузырем будет сжиматься, уменьшая расстояние до места назначения. А то, что сзади, расширится, увеличив расстояние от начала пути. Сам космический корабль останется внутри пузыря. Таким образом, не нарушая абсолютного ограничения скорости, корабль сможет достичь сверхсветовой скорости.

Таким образом, отрицательная энергия — это доказанный в физике факт, который, как известно, существует повсюду вокруг нас и повсюду во Вселенной. Эта концепция нашла несколько применений в теоретической физике и вполне может однажды стать ключом к открытию межзвездных космических путешествий.