Negativ energi - Negative energy
Negativ energi er et konsept som brukes i fysikk for å forklare naturen til visse felt , inkludert gravitasjonsfeltet og ulike kvantefelteffekter .
I mer spekulative teorier er negativ energi involvert i tidsreiser til fortiden, opprettelse av kunstige ormehull , som også kan tillate tidsreiser , Krasnikov-rør , Alcubierre-stasjon og potensielt andre typer vridningsdrev for raskere enn lys romfart .
Gravitasjon potensiell energi
Den positive gravitasjonskraften mellom to massive objekter som er ledsaget av et negativt beløp av gravitasjons potensial på feltet som tiltrekker dem. Når avstanden mellom dem nærmer seg uendelig, nærmer gravitasjonsattraksjonen seg null fra den positive siden av den reelle tallinjen og gravitasjonspotensialet nærmer seg null fra den negative siden. Når to massive objekter beveger seg mot hverandre, akselererer bevegelsen under tyngdekraften og forårsaker en økning i (positiv) kinetisk energi i systemet og en økning av samme mengde i (negativ) gravitasjonspotensialenergi til objektet. Dette er fordi loven om bevaring av energi krever at nettoenergien til systemet ikke vil endres. Gravitasjonspotensialenergien er en slags bindende energi.
Et univers der positiv energi dominerer, vil til slutt kollapse i en " Big Crunch ", mens et "åpent" univers der negativ energi dominerer, enten vil ekspandere på ubestemt tid eller til slutt gå i oppløsning i et " big rip ". I modellen med nullenergiunivers ("flat" eller "euklidisk") er den totale energimengden i universet nøyaktig null : mengden positiv energi i form av materie blir nøyaktig avbrutt av den negative energien i formen av tyngdekraften . (Det er uklart hvilken, om noen, av disse modellene som nøyaktig beskriver det virkelige universet.)
Kvantfelteffekter
Negative energier og negativ energitetthet er i samsvar med kvantefeltteorien .
Virtuelle partikler
I kvanteteorien tillater usikkerhetsprinsippet at romets vakuum kan fylles med virtuelle partikkel-antipartikkelpar som dukker opp spontant og eksisterer bare en kort tid før, som vanligvis ødelegger seg selv igjen. Noen av disse virtuelle partiklene kan ha negativ energi. Atferden deres spiller en rolle i flere viktige fenomener, som beskrevet nedenfor.
Casimir -effekt
I Casimir -effekten begrenser to flate plater som er plassert veldig nær hverandre bølgelengdene til kvanta som kan eksistere mellom dem. Dette begrenser igjen typene og dermed antallet og tettheten til virtuelle partikkelpar som kan dannes i det mellomliggende vakuumet og kan resultere i en negativ energitetthet. Siden denne begrensningen ikke eksisterer eller er mye mindre signifikant på de motsatte sidene av platene, er kreftene utenfor platene større enn de mellom platene. Dette får platene til å se ut til å trekke i hverandre, som er målt. Mer nøyaktig presser vakuumenergien forårsaket av de virtuelle partikkelparene platene sammen, og vakuumenergien mellom platene er for liten til å oppheve denne effekten siden færre virtuelle partikler kan eksistere per volumenhet mellom platene enn det kan eksistere utenfor dem.
Klemt lys
Det er mulig å arrangere flere laserstråler slik at ødeleggende kvanteforstyrrelser undertrykker vakuumsvingningene . En slik presset vakuumtilstand innebærer negativ energi. Lysets gjentagende bølgeform fører til vekslende områder med positiv og negativ energi.
Dirac havet
I følge teorien om Dirac -havet , utviklet av Paul Dirac i 1930, er vakuumet i rommet fullt av negativ energi. Denne teorien ble utviklet for å forklare anomalien i kvantetilstander med negativ energi spådd av Dirac-ligningen .
Dirac -sjøteorien spådde riktig eksistensen av antimateriale to år før oppdagelsen av positronet i 1932 av Carl Anderson . Dirac -sjøteorien behandler imidlertid antimateriale som et hull der det er fravær av en partikkel i stedet for som en ekte partikkel. Quantum field theory (QFT), utviklet på 1930-tallet, omhandler antimaterie på en måte som behandler antimateriale som laget av virkelige partikler i stedet for fravær av partikler, og behandler et vakuum som tomt for partikler i stedet for fullt av negative energipartikler som i Dirac -teorien.
Kvantfeltteorien har fortrengt Dirac -sjøteorien som en mer populær forklaring på disse aspektene ved fysikken. Både Dirac -sjøteorien og kvantefeltteorien er ekvivalente ved hjelp av en Bogoliubov -transformasjon , så Dirac -sjøen kan sees på som en alternativ formulering av kvantefeltteori, og er dermed i samsvar med den.
Kvantegravitasjonsfenomener
De intense gravitasjonsfeltene rundt sorte hull skaper fenomener som tilskrives både gravitasjons- og kvanteeffekter. I disse situasjonene kan en partikkels Killing -vektor roteres slik at energien blir negativ.
Hawking -stråling
Virtuelle partikler kan eksistere i en kort periode. Når et par slike partikler dukker opp ved siden av et svart hulls hendelseshorisont, kan en av dem trekkes inn. Dette roterer drapvektoren slik at energien blir negativ og paret ikke har nettoenergi. Dette gjør at de kan bli virkelige og den positive partikkelen slipper ut som Hawking-stråling , mens partikkelen med negativ energi reduserer det sorte hullets nettoenergi. Dermed kan et svart hull langsomt fordampe.
Svarthulls ergosfære og kvasarer
For et roterende svart hull skaper rotasjonen en ergosfære utenfor hendelseshorisonten. Siden ergosfæren er utenfor hendelseshorisonten, kan partikler rømme fra den. Innen ergosfæren kan en partikkels Killing -vektor roteres for å gi den negativ energi. Den negative energipartikkelen krysser deretter hendelseshorisonten inn i det sorte hullet, med lov om bevaring av energi som krever at like mye positiv energi skal unnslippe. Dette antas å være hvordan intens stråling fra kvasarer genereres.
Spekulative forslag
Ormhull
Negativ energi vises i spekulativ teori om ormhull , der det er nødvendig for å holde ormhullet åpent. Et ormhull forbinder to steder som kan skilles vilkårlig langt fra hverandre i både rom og tid, og tillater i prinsippet nesten øyeblikkelig reise mellom dem. Fysikere som Roger Penrose anser imidlertid slike ideer som urealistiske, mer fiksjon enn spekulasjoner.
Warp -stasjon
Et teoretisk prinsipp for en hurtigere enn lys (FTL) warp-stasjon for romskip er blitt foreslått, som involverer negativ energi. Den Alcubierre stasjonen omfatter en løsning for å Einsteins ligninger av generell relativitet , hvor en boble av rom og tid beveges hurtig ved å utvide plass bak den og krymper plass foran den.
Se også
Referanser
Inline notater
Bibliografi
- Lawrence H. Ford og Thomas A. Roman; "Negativ energi, ormehull og varpedrift ", Scientific American januar 2000, 282 , side 46–53.
- Roger Penrose; Veien til virkeligheten , ppbk, Vintage, 2005. Kapittel 30: Gravity's Role in Quantum State Reduction.