Energia de ponto zero - Zero-point energy

O hélio líquido retém energia cinética e não congela independentemente da temperatura devido à energia do ponto zero. Quando resfriado abaixo de seu ponto Lambda , exibe propriedades de superfluidez

Energia de ponto zero ( ZPE ) é a energia mais baixa possível que um sistema de mecânica quântica pode ter. Ao contrário da mecânica clássica , os sistemas quânticos flutuam constantemente em seu estado de energia mais baixo, conforme descrito pelo princípio da incerteza de Heisenberg . Assim como átomos e moléculas , o espaço vazio do vácuo tem essas propriedades. De acordo com a teoria quântica de campos , o universo pode ser pensado não como partículas isoladas, mas campos flutuantes contínuos : campos de matéria , cujos quanta são férmions (ou seja, leptons e quarks ), e campos de força , cujos quanta são bósons (por exemplo, fótons e glúons ) Todos esses campos têm energia de ponto zero. Esses campos flutuantes de ponto zero levam a uma espécie de reintrodução de um éter na física, uma vez que alguns sistemas podem detectar a existência dessa energia. No entanto, este éter não pode ser pensado como um meio físico se for invariante de Lorentz de forma que não haja contradição com a teoria da relatividade especial de Einstein .

A física atualmente carece de um modelo teórico completo para compreender a energia do ponto zero; em particular, a discrepância entre a energia do vácuo teorizada e observada é uma fonte de grande controvérsia. Os físicos Richard Feynman e John Wheeler calcularam a radiação de ponto zero do vácuo como uma ordem de magnitude maior do que a energia nuclear , com uma única lâmpada contendo energia suficiente para ferver todos os oceanos do mundo. No entanto, de acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein , qualquer energia gravitaria e as evidências experimentais da expansão do universo , da energia escura e do efeito Casimir, mostram que essa energia é excepcionalmente fraca. Uma proposta popular que tenta resolver esse problema é dizer que o campo férmion tem uma energia de ponto zero negativa, enquanto o campo de bóson tem uma energia de ponto zero positiva e, portanto, essas energias de alguma forma se cancelam. Essa ideia seria verdadeira se a supersimetria fosse uma simetria exata da natureza ; no entanto, o LHC do CERN até agora não encontrou nenhuma evidência para apoiá-lo. Além disso, sabe-se que se a supersimetria for válida, é no máximo uma simetria quebrada , apenas verdadeira em energias muito altas, e ninguém foi capaz de mostrar uma teoria onde cancelamentos de ponto zero ocorrem no universo de baixa energia que nós observe hoje. Essa discrepância é conhecida como o problema da constante cosmológica e é um dos maiores mistérios não resolvidos da física . Muitos físicos acreditam que "o vácuo é a chave para uma compreensão completa da natureza".

Etimologia e terminologia

O termo energia de ponto zero (ZPE) é uma tradução do alemão Nullpunktsenergie. Às vezes, são usados ​​alternadamente com os termos radiação de ponto zero e energia do estado fundamental . O termo campo de ponto zero ( ZPF ) pode ser usado quando se refere a um campo de vácuo específico, por exemplo, o vácuo QED que lida especificamente com eletrodinâmica quântica (por exemplo, interações eletromagnéticas entre fótons, elétrons e o vácuo) ou o vácuo QCD que lida com com cromodinâmica quântica (por exemplo, interações de carga de cor entre quarks, glúons e o vácuo). Um vácuo pode ser visto não como um espaço vazio, mas como a combinação de todos os campos de ponto zero. Na teoria quântica de campos, essa combinação de campos é chamada de estado de vácuo , sua energia de ponto zero associada é chamada de energia de vácuo e o valor médio da energia é chamado de valor esperado de vácuo (VEV), também chamado de condensado .

Visão geral

Energia cinética vs temperatura

Na mecânica clássica, todas as partículas podem ser consideradas como tendo alguma energia composta de sua energia potencial e energia cinética . A temperatura , por exemplo, surge da intensidade do movimento aleatório das partículas causado pela energia cinética (conhecido como movimento browniano ). Como a temperatura é reduzida a zero absoluto , pode-se pensar que todo o movimento cessa e as partículas param completamente. Na verdade, entretanto, a energia cinética é retida pelas partículas mesmo na temperatura mais baixa possível. O movimento aleatório correspondente a essa energia de ponto zero nunca desaparece como consequência do princípio da incerteza da mecânica quântica .

A radiação de ponto zero continuamente transmite impulsos aleatórios em um elétron , de modo que ele nunca para por completo. A radiação de ponto zero dá ao oscilador uma energia média igual à frequência de oscilação multiplicada pela metade da constante de Planck .

O princípio da incerteza afirma que nenhum objeto pode ter valores precisos de posição e velocidade simultaneamente. A energia total de um objeto de mecânica quântica (potencial e cinética) é descrita por seu hamiltoniano, que também descreve o sistema como um oscilador harmônico, ou função de onda , que flutua entre vários estados de energia (ver dualidade onda-partícula ). Todos os sistemas da mecânica quântica sofrem flutuações até mesmo em seu estado fundamental, uma consequência de sua natureza ondulatória . O princípio da incerteza requer que todo sistema mecânico quântico tenha uma energia de ponto zero flutuante maior do que o mínimo de seu poço de potencial clássico . Isso resulta em movimento mesmo em zero absoluto . Por exemplo, o hélio líquido não congela sob a pressão atmosférica, independentemente da temperatura, devido à sua energia de ponto zero.

Dada a equivalência de massa e energia expressa por Albert Einstein 's E = mc 2 , qualquer ponto no espaço que contém a energia pode ser pensado como tendo massa para criar partículas. As partículas virtuais surgem espontaneamente em todos os pontos do espaço devido à energia das flutuações quânticas causadas pelo princípio da incerteza. A física moderna desenvolveu a teoria quântica de campo (QFT) para entender as interações fundamentais entre a matéria e as forças, ela trata cada ponto do espaço como um oscilador harmônico quântico . De acordo com o QFT, o universo é composto de campos de matéria, cujos quanta são férmions (ou seja, leptons e quarks ), e campos de força, cujos quanta são bósons (por exemplo, fótons e glúons ). Todos esses campos têm energia de ponto zero. Experimentos recentes defendem a ideia de que as próprias partículas podem ser pensadas como estados excitados do vácuo quântico subjacente , e que todas as propriedades da matéria são meramente flutuações de vácuo decorrentes de interações do campo de ponto zero.

A ideia de que o espaço "vazio" pode ter uma energia intrínseca associada a ele e que não existe um "vácuo verdadeiro" aparentemente não é intuitiva. Costuma-se argumentar que o universo inteiro está completamente banhado pela radiação de ponto zero e, como tal, pode adicionar apenas alguma quantidade constante aos cálculos. Medidas físicas irão, portanto, revelar apenas desvios deste valor. Para muitos cálculos práticos, a energia do ponto zero é descartada por decreto no modelo matemático como um termo que não tem efeito físico. Tal tratamento causa problemas, entretanto, como na teoria da relatividade geral de Einstein, o valor absoluto da energia do espaço não é uma constante arbitrária e dá origem à constante cosmológica . Durante décadas, a maioria dos físicos presumiu que havia algum princípio fundamental não descoberto que removerá a energia infinita do ponto zero e a fará desaparecer completamente. Se o vácuo não tiver valor intrínseco e absoluto de energia, ele não gravitará. Acreditava-se que, à medida que o universo se expande após o Big Bang , a energia contida em qualquer unidade de espaço vazio diminuirá à medida que a energia total se espalha para preencher o volume do universo; galáxias e toda a matéria do universo devem começar a desacelerar. Essa possibilidade foi descartada em 1998 com a descoberta de que a expansão do universo não está diminuindo, mas sim acelerando, o que significa que o espaço vazio realmente tem alguma energia intrínseca. A descoberta da energia escura é melhor explicada pela energia do ponto zero, embora ainda permaneça um mistério por que o valor parece ser tão pequeno em comparação com o enorme valor obtido pela teoria - o problema da constante cosmológica .

Muitos efeitos físicos atribuídos à energia do ponto zero foram verificados experimentalmente, como emissão espontânea , força de Casimir , deslocamento de Lamb , momento magnético do elétron e espalhamento de Delbrück . Esses efeitos são geralmente chamados de "correções radiativas". Em teorias não lineares mais complexas (por exemplo, QCD), a energia de ponto zero pode dar origem a uma variedade de fenômenos complexos, como vários estados estáveis , quebra de simetria , caos e emergência . Muitos físicos acreditam que "o vácuo é a chave para uma compreensão completa da natureza" e que estudá-lo é fundamental na busca pela teoria de tudo . As áreas ativas de pesquisa incluem os efeitos de partículas virtuais, emaranhamento quântico , a diferença (se houver) entre massa inercial e gravitacional , variação na velocidade da luz , uma razão para o valor observado da constante cosmológica e a natureza da energia escura .

História

Teorias iniciais do éter

James Clerk Maxwell

A energia do ponto zero evoluiu de ideias históricas sobre o vácuo . Para Aristóteles, o vácuo era τὸ κενόν , "o vazio"; ou seja, espaço independente do corpo. Ele acreditava que esse conceito violava os princípios físicos básicos e afirmava que os elementos fogo, ar, terra e água não eram feitos de átomos, mas eram contínuos. Para os atomistas, o conceito de vazio tinha caráter absoluto: era a distinção entre existência e não existência. O debate sobre as características do vácuo ficou em grande parte confinado ao reino da filosofia . Só muito mais tarde, com o início do renascimento , Otto von Guericke inventou a primeira bomba de vácuo e as primeiras idéias científicas testáveis ​​começaram a surgir. Pensou-se que um volume de espaço totalmente vazio poderia ser criado simplesmente removendo todos os gases. Este foi o primeiro conceito de vácuo geralmente aceito.

No final do século 19, entretanto, tornou-se aparente que a região evacuada ainda continha radiação térmica . A existência do éter como substituto de um verdadeiro vazio era a teoria mais prevalente da época. De acordo com a bem-sucedida teoria do éter eletromagnético baseada na eletrodinâmica de Maxwell , esse éter abrangente era dotado de energia e, portanto, muito diferente do nada. O fato de os fenômenos eletromagnéticos e gravitacionais serem facilmente transmitidos no espaço vazio indicava que seus éteres associados faziam parte da própria estrutura do espaço. O próprio Maxwell observou que:

Para aqueles que sustentavam a existência de um plenum como um princípio filosófico, a aversão da natureza ao vácuo era uma razão suficiente para imaginar um éter circundante ... Os éteres foram inventados para os planetas nadar, para constituir atmosferas elétricas e eflúvios magnéticos , para transmitir sensações de uma parte de nosso corpo para outra, e assim por diante, até que um espaço fosse preenchido três ou quatro vezes com éteres.

No entanto, os resultados do experimento de Michelson-Morley em 1887 foram as primeiras evidências fortes de que as teorias do éter predominantes na época eram seriamente falhas, e iniciaram uma linha de pesquisa que acabou levando à relatividade especial , que descartou a ideia de um éter estacionário completamente. Para os cientistas da época, parecia que um verdadeiro vácuo no espaço poderia ser eliminado pelo resfriamento, eliminando assim toda a radiação ou energia. A partir dessa ideia, desenvolveu-se o segundo conceito de obtenção de um vácuo real: resfrie-o até a temperatura zero absoluta após a evacuação. O zero absoluto era tecnicamente impossível de ser alcançado no século 19, então o debate permaneceu sem solução.

Segunda teoria quântica

Planck em 1918, ano em que recebeu o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho sobre a teoria quântica

Em 1900, Max Planck derivou a energia média ε de um único radiador de energia , por exemplo, uma unidade atômica vibrante, em função da temperatura absoluta:

onde h é a constante de Planck , ν é a frequência , k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura absoluta . A energia do ponto zero não contribui para a lei original de Planck, pois sua existência era desconhecida de Planck em 1900.

O conceito de energia de ponto zero foi desenvolvido por Max Planck na Alemanha em 1911 como um termo corretivo adicionado a uma fórmula baseada em zero desenvolvida em sua teoria quântica original em 1900.

Em 1912, Max Planck publicou o primeiro artigo de jornal para descrever a emissão descontínua de radiação, com base nos quanta discretos de energia. Na "segunda teoria quântica" de Planck, os ressonadores absorviam energia continuamente, mas emitiam energia em quanta de energia discretos apenas quando atingiam os limites das células finitas no espaço de fase, onde suas energias se tornaram múltiplos inteiros de . Essa teoria levou Planck à sua nova lei de radiação, mas nesta versão os ressonadores de energia possuíam uma energia de ponto zero, a menor energia média que um ressonador poderia suportar. A equação de radiação de Planck continha um fator de energia residual, um /2, como um termo adicional dependente da frequência ν , que era maior que zero (onde h é a constante de Planck). Portanto, é amplamente aceito que "a equação de Planck marcou o nascimento do conceito de energia do ponto zero". Em uma série de artigos de 1911 a 1913, Planck descobriu que a energia média de um oscilador é:

Retrato oficial de Einstein em 1921 após receber o Prêmio Nobel de Física

Logo, a ideia da energia do ponto zero atraiu a atenção de Albert Einstein e seu assistente Otto Stern . Em 1913, eles publicaram um artigo que tentava provar a existência de energia de ponto zero calculando o calor específico do gás hidrogênio e comparando-o com os dados experimentais. No entanto, depois de presumir que tiveram sucesso, eles retiraram o apoio à ideia logo após a publicação, porque descobriram que a segunda teoria de Planck pode não se aplicar ao seu exemplo. Em uma carta a Paul Ehrenfest do mesmo ano, Einstein declarou a energia do ponto zero "morta como uma doornail", a energia do ponto zero também foi invocada por Peter Debye , que observou que a energia do ponto zero dos átomos de uma estrutura de cristal causaria um redução da intensidade da radiação difratada na difração de raios-X mesmo quando a temperatura se aproxima do zero absoluto. Em 1916, Walther Nernst propôs que o espaço vazio fosse preenchido com radiação eletromagnética de ponto zero . Com o desenvolvimento da relatividade geral, Einstein descobriu que a densidade de energia do vácuo contribuía para uma constante cosmológica a fim de obter soluções estáticas para suas equações de campo; a ideia de que o espaço vazio, ou o vácuo, poderia ter alguma energia intrínseca associada a ele havia retornado, com Einstein afirmando em 1920:

Há um argumento de peso a ser aduzido em favor da hipótese do éter. Negar o éter é, em última análise, supor que o espaço vazio não possui quaisquer qualidades físicas. Os fatos fundamentais da mecânica não se harmonizam com esta visão ... de acordo com a teoria geral da relatividade, o espaço é dotado de qualidades físicas; nesse sentido, portanto, existe um éter. De acordo com a teoria geral da relatividade, o espaço sem éter é impensável; pois em tal espaço não só não haveria propagação de luz, mas também nenhuma possibilidade de existência para padrões de espaço e tempo (réguas de medição e relógios), nem, portanto, quaisquer intervalos de espaço-tempo no sentido físico. Mas esse éter não pode ser pensado como dotado da qualidade característica de mídia ponderável, como consistindo de partes que podem ser rastreadas no tempo. A ideia de movimento não pode ser aplicada a ele.

Heisenberg, 1924

Kurt Bennewitz e Francis Simon (1923), que trabalharam no laboratório de Walther Nernst em Berlim, estudaram o processo de fusão de produtos químicos a baixas temperaturas. Seus cálculos dos pontos de fusão do hidrogênio , argônio e mercúrio os levaram a concluir que os resultados forneciam evidências de uma energia de ponto zero. Além disso, sugeriram corretamente, como foi verificado posteriormente por Simon (1934), que essa quantidade era a responsável pela dificuldade de solidificação do hélio mesmo no zero absoluto. Em 1924, Robert Mulliken forneceu evidência direta para a energia do ponto zero das vibrações moleculares, comparando o espectro da banda de 10 BO e 11 BO: a diferença isotópica nas frequências de transição entre os estados vibracionais do solo de dois níveis eletrônicos diferentes desapareceria se houvesse sem energia de ponto zero, em contraste com os espectros observados. Então, apenas um ano depois, em 1925, com o desenvolvimento da mecânica da matriz no famoso artigo de Werner Heisenberg " Reinterpretação teórica quântica das relações cinemáticas e mecânicas ", a energia do ponto zero foi derivada da mecânica quântica.

Em 1913, Niels Bohr propôs o que agora é chamado de modelo de átomo de Bohr , mas, apesar disso, permaneceu um mistério por que os elétrons não caem em seus núcleos. De acordo com as idéias clássicas, o fato de que uma carga em aceleração perde energia por irradiação implica que um elétron deve espiralar no núcleo e que os átomos não devem ser estáveis. Este problema da mecânica clássica foi bem resumido por James Hopwood Jeans em 1915: "Haveria uma dificuldade muito real em supor que a (força) lei1/r 2mantida pressionada para os valores zero de r . Pois as forças entre duas cargas à distância zero seriam infinitas; deveríamos ter cargas de sinal oposto continuamente correndo juntas e, uma vez juntas, nenhuma força tenderia a se encolher em nada ou a diminuir indefinidamente em tamanho. "A solução para esse quebra-cabeça veio em 1926 com a famosa equação de Schrödinger . Essa equação explicava o novo , fato não clássico de que um elétron confinado a estar perto de um núcleo teria necessariamente uma grande energia cinética de modo que a energia total mínima (cinética mais potencial) realmente ocorre em alguma separação positiva em vez de separação zero; em outras palavras, zero - a energia pontual é essencial para a estabilidade atômica.

Teoria do campo quântico e além

Em 1926, Pascual Jordan publicou a primeira tentativa de quantizar o campo eletromagnético. Em um trabalho conjunto com Max Born e Werner Heisenberg, ele considerou o campo dentro de uma cavidade como uma superposição de osciladores harmônicos quânticos. Em seu cálculo, ele descobriu que além da "energia térmica" dos osciladores, também deveria existir um termo de energia de ponto zero infinito. Ele foi capaz de obter a mesma fórmula de flutuação que Einstein havia obtido em 1909. No entanto, Jordan não achava que seu termo de energia de ponto zero infinito fosse "real", escrevendo a Einstein que "é apenas uma quantidade do cálculo sem significado físico direto ". Jordan encontrou uma maneira de se livrar do termo infinito, publicando um trabalho conjunto com Pauli em 1928, realizando o que tem sido chamado de "a primeira subtração infinita, ou renormalização, na teoria quântica de campos"

Paul Dirac, 1933

Com base no trabalho de Heisenberg e outros , a teoria de emissão e absorção de Paul Dirac (1927) foi a primeira aplicação da teoria quântica da radiação. O trabalho de Dirac foi visto como crucialmente importante para o campo emergente da mecânica quântica; lidava diretamente com o processo no qual as "partículas" são realmente criadas: a emissão espontânea . Dirac descreveu a quantização do campo eletromagnético como um conjunto de osciladores harmônicos com a introdução do conceito de operadores de criação e aniquilação de partículas. A teoria mostrou que a emissão espontânea depende das flutuações de energia do ponto zero do campo eletromagnético para começar. Em um processo no qual um fóton é aniquilado (absorvido), pode-se pensar que o fóton está fazendo uma transição para o estado de vácuo. Da mesma forma, quando um fóton é criado (emitido), ocasionalmente é útil imaginar que o fóton fez uma transição para fora do estado de vácuo. Nas palavras de Dirac:

O quântico de luz tem a peculiaridade de aparentemente deixar de existir quando está em um de seus estados estacionários, a saber, o estado zero, no qual seu momento e, portanto, também sua energia, são zero. Quando um quantum de luz é absorvido, pode ser considerado que salta para este estado zero, e quando um é emitido, pode ser considerado que salta do estado zero para um em que está fisicamente em evidência, de modo que parece ter sido criada. Uma vez que não há limite para o número de quanta de luz que podem ser criados desta forma, devemos supor que existe um número infinito de quanta de luz no estado zero ...

Os físicos contemporâneos, quando solicitados a dar uma explicação física para a emissão espontânea, geralmente invocam a energia do ponto zero do campo eletromagnético. Essa visão foi popularizada por Victor Weisskopf que em 1935 escreveu:

Da teoria quântica segue-se a existência das chamadas oscilações de ponto zero; por exemplo, cada oscilador em sua posição mais baixa não está completamente em repouso, mas sempre se movendo em torno de sua posição de equilíbrio. Portanto, as oscilações eletromagnéticas também nunca podem cessar completamente. Assim, a natureza quântica do campo eletromagnético tem como consequência oscilações de ponto zero da intensidade do campo no estado de energia mais baixa, em que não há quanta de luz no espaço ... As oscilações de ponto zero atuam sobre um elétron da mesma forma que oscilações elétricas comuns sim. Eles podem mudar o estado próprio do elétron, mas apenas em uma transição para um estado com a energia mais baixa, uma vez que o espaço vazio só pode tirar energia, e não abandoná-la. Desta forma, a radiação espontânea surge como consequência da existência dessas intensidades de campo únicas correspondentes a oscilações de ponto zero. Assim, a radiação espontânea é a radiação induzida de quanta de luz produzida por oscilações de ponto zero do espaço vazio

Essa visão também foi posteriormente apoiada por Theodore Welton (1948), que argumentou que a emissão espontânea "pode ​​ser pensada como uma emissão forçada ocorrendo sob a ação do campo flutuante". Esta nova teoria, que Dirac cunhou a eletrodinâmica quântica (QED) previu um ponto zero flutuante ou campo de "vácuo" existindo mesmo na ausência de fontes.

Ao longo da década de 1940, as melhorias na tecnologia de micro-ondas tornaram possível fazer medições mais precisas da mudança dos níveis de um átomo de hidrogênio , agora conhecida como mudança de Lamb , e medir o momento magnético do elétron. Discrepâncias entre esses experimentos e a teoria de Dirac levaram à ideia de incorporar a renormalização ao QED para lidar com infinitos de ponto zero. A renormalização foi originalmente desenvolvida por Hans Kramers e também Victor Weisskopf (1936), e primeiro aplicada com sucesso para calcular um valor finito para o deslocamento de Lamb por Hans Bethe (1947). Em relação à emissão espontânea, esses efeitos podem ser entendidos em parte com interações com o campo de ponto zero. Mas, à luz da renormalização ser capaz de remover alguns infinitos de ponto zero dos cálculos, nem todos os físicos se sentiam confortáveis ​​atribuindo à energia de ponto zero qualquer significado físico, vendo-a como um artefato matemático que um dia poderia ser totalmente eliminado. Na palestra do Nobel de Wolfgang Pauli em 1945, ele deixou clara sua oposição à idéia da energia do ponto zero, afirmando "É claro que esta energia do ponto zero não tem realidade física".

Hendrik Casimir (1958)

Em 1948, Hendrik Casimir mostrou que uma consequência do campo de ponto zero é uma força atrativa entre duas placas paralelas sem carga e perfeitamente condutoras, o chamado efeito Casimir . Na época, Casimir estudava as propriedades das "soluções coloidais". São materiais viscosos, como tinta e maionese, que contêm partículas de tamanho mícron em uma matriz líquida. As propriedades de tais soluções são determinadas pelas forças de Van der Waals - forças atrativas de curto alcance que existem entre átomos e moléculas neutras. Um dos colegas de Casimir, Theo Overbeek, percebeu que a teoria usada na época para explicar as forças de Van der Waals, desenvolvida por Fritz London em 1930, não explicava adequadamente as medições experimentais em coloides. Overbeek, portanto, pediu a Casimir para investigar o problema. Trabalhando com Dirk Polder , Casimir descobriu que a interação entre duas moléculas neutras só poderia ser descrita corretamente se o fato de a luz viajar a uma velocidade finita fosse levado em consideração. Logo depois de uma conversa com Bohr sobre a energia do ponto zero, Casimir percebeu que esse resultado poderia ser interpretado em termos de flutuações de vácuo. Ele então se perguntou o que aconteceria se houvesse dois espelhos - em vez de duas moléculas - frente a frente no vácuo. Foi esse trabalho que o levou à famosa previsão de uma força atrativa entre placas refletoras. O trabalho de Casimir e Polder abriu o caminho para uma teoria unificada das forças de Van der Waals e Casimir e um continuum suave entre os dois fenômenos. Isso foi feito por Lifshitz (1956) no caso de placas dielétricas paralelas planas . O nome genérico para as forças de Van der Waals e Casimir é forças de dispersão, porque ambas são causadas por dispersões do operador do momento de dipolo. O papel das forças relativísticas se torna dominante em ordens de cem nanômetros.

Em 1951, Herbert Callen e Theodore Welton provaram o teorema da flutuação-dissipação quântica (FDT) que foi originalmente formulado na forma clássica por Nyquist (1928) como uma explicação para o ruído de Johnson observado em circuitos elétricos. O teorema da flutuação-dissipação mostrou que quando algo dissipa energia, de forma efetivamente irreversível, um banho de calor conectado também deve flutuar. As flutuações e a dissipação andam de mãos dadas; é impossível ter um sem o outro. A implicação do FDT é que o vácuo poderia ser tratado como um banho de calor acoplado a uma força dissipativa e, como tal, a energia poderia, em parte, ser extraída do vácuo para um trabalho potencialmente útil. O FDT mostrou ser experimentalmente verdadeiro sob certas condições quânticas não clássicas.

Em 1963, o modelo Jaynes-Cummings foi desenvolvido descrevendo o sistema de um átomo de dois níveis interagindo com um modo de campo quantizado (ou seja, o vácuo) dentro de uma cavidade óptica. Ele deu previsões não intuitivas, como a de que a emissão espontânea de um átomo poderia ser impulsionada por um campo de frequência efetivamente constante ( frequência de Rabi ). Na década de 1970, experimentos estavam sendo realizados para testar aspectos da óptica quântica e mostraram que a taxa de emissão espontânea de um átomo poderia ser controlada usando superfícies refletoras. Esses resultados foram inicialmente vistos com suspeita em alguns setores: argumentou-se que nenhuma modificação de uma taxa de emissão espontânea seria possível, afinal, como a emissão de um fóton pode ser afetada pelo ambiente de um átomo quando o átomo só pode "ver "seu ambiente emitindo um fóton em primeiro lugar? Esses experimentos deram origem à eletrodinâmica quântica de cavidades (CQED), o estudo dos efeitos de espelhos e cavidades nas correções radiativas. A emissão espontânea pode ser suprimida (ou "inibida") ou amplificada. A amplificação foi prevista pela primeira vez por Purcell em 1946 (o efeito Purcell ) e foi verificada experimentalmente. Esse fenômeno pode ser entendido, em parte, em termos da ação do campo de vácuo sobre o átomo.

O princípio da incerteza

A energia do ponto zero está fundamentalmente relacionada ao princípio da incerteza de Heisenberg . Grosso modo, o princípio da incerteza afirma que variáveis ​​complementares (como a posição e o momento de uma partícula, ou o valor e a derivada de um campo em um ponto no espaço) não podem ser especificadas simultaneamente com precisão por qualquer estado quântico dado. Em particular, não pode existir um estado em que o sistema simplesmente fique imóvel no fundo de seu poço de potencial: pois, então, sua posição e momento seriam ambos completamente determinados com uma precisão arbitrariamente grande. Portanto, em vez disso, o estado de menor energia (o estado fundamental) do sistema deve ter uma distribuição de posição e momento que satisfaça o princípio da incerteza - o que implica que sua energia deve ser maior do que o mínimo do poço de potencial.

Perto do fundo de um poço de potencial , o hamiltoniano de um sistema geral (o operador mecânico quântico dando sua energia) pode ser aproximado como um oscilador harmônico quântico ,

onde V 0 é o mínimo do poço de potencial clássico.

O princípio da incerteza nos diz que

fazer com que os valores esperados dos termos cinéticos e potenciais acima satisfaçam

O valor esperado da energia deve, portanto, ser pelo menos

onde ω = k / m é a frequência angular na qual o sistema oscila.

Um tratamento mais completo, mostrando que a energia do estado fundamental realmente satura esse limite e é exatamente E 0 = V 0 +ħω/2, requer solução para o estado fundamental do sistema.

Física atômica

A energia do ponto zero E =ħω/2faz com que o estado fundamental de um oscilador harmônico avance sua fase (cor). Isso tem efeitos mensuráveis ​​quando vários estados próprios são sobrepostos.

A ideia de um oscilador harmônico quântico e sua energia associada pode se aplicar a um átomo ou a uma partícula subatômica. Na física atômica comum, a energia do ponto zero é a energia associada ao estado fundamental do sistema. A literatura profissional de física tende a medir a frequência, conforme denotado por ν acima, usando a frequência angular , denotada por ω e definida por ω = 2 πν . Isso leva a uma convenção de escrever a constante h de Planck com uma barra no topo ( ħ ) para denotar a quantidadeh/. Nestes termos, o exemplo mais famoso de energia de ponto zero é o acima E =ħω/2associado ao estado fundamental do oscilador harmônico quântico . Em termos de mecânica quântica, a energia do ponto zero é o valor esperado do hamiltoniano do sistema no estado fundamental.

Se houver mais de um estado fundamental, eles são considerados degenerados . Muitos sistemas têm estados fundamentais degenerados. A degenerescência ocorre sempre que existe um operador unitário que atua não trivialmente em um estado fundamental e comuta com o hamiltoniano do sistema.

De acordo com a terceira lei da termodinâmica , um sistema à temperatura zero absoluta existe em seu estado fundamental; assim, sua entropia é determinada pela degeneração do estado fundamental. Muitos sistemas, como uma rede cristalina perfeita , têm um estado fundamental único e, portanto, têm entropia zero no zero absoluto. Também é possível para o estado mais excitado ter temperatura zero absoluta para sistemas que exibem temperatura negativa .

A função de onda do estado fundamental de uma partícula em um poço unidimensional é uma onda senoidal de meio período que vai a zero nas duas bordas do poço. A energia da partícula é dada por:

onde h é a constante de Planck , m é a massa da partícula, n é o estado de energia ( n = 1 corresponde à energia do estado fundamental) e L é a largura do poço.

Teoria quântica de campos

Na teoria quântica de campos (QFT), o tecido do espaço "vazio" é visualizado como consistindo de campos , com o campo em cada ponto no espaço e no tempo sendo um oscilador harmônico quântico , com osciladores vizinhos interagindo uns com os outros. De acordo com o QFT, o universo é composto de campos de matéria cujos quanta são férmions (por exemplo, elétrons e quarks ), campos de força cujos quanta são bósons (ou seja, fótons e glúons ) e um campo de Higgs cujo quantum é o bóson de Higgs . Os campos de matéria e força têm energia de ponto zero. Um termo relacionado é campo de ponto zero (ZPF), que é o estado de menor energia de um campo particular. O vácuo pode ser visto não como um espaço vazio, mas como a combinação de todos os campos de ponto zero.

Em QFT, a energia do ponto zero do estado de vácuo é chamada de energia de vácuo e o valor médio de expectativa do hamiltoniano é chamado de valor de expectativa de vácuo (também chamado de condensado ou simplesmente VEV). O vácuo QED é uma parte do estado de vácuo que lida especificamente com a eletrodinâmica quântica (por exemplo, interações eletromagnéticas entre fótons, elétrons e o vácuo) e o vácuo QCD lida com cromodinâmica quântica (por exemplo, interações de carga de cor entre quarks, glúons e o vácuo). Experimentos recentes defendem a ideia de que as próprias partículas podem ser pensadas como estados excitados do vácuo quântico subjacente , e que todas as propriedades da matéria são meramente flutuações de vácuo decorrentes de interações com o campo de ponto zero.

Cada ponto no espaço faz uma contribuição de E =ħω/2, resultando em um cálculo de energia de ponto zero infinito em qualquer volume finito; esta é uma das razões pelas quais a renormalização é necessária para dar sentido às teorias de campo quântico. Em cosmologia , a energia do vácuo é uma explicação possível para a constante cosmológica e a fonte de energia escura .

Os cientistas não estão de acordo sobre quanta energia está contida no vácuo. A mecânica quântica requer que a energia seja grande como Paul Dirac afirmou que é, como um mar de energia . Outros cientistas especializados em relatividade geral exigem que a energia seja pequena o suficiente para que a curvatura do espaço esteja de acordo com a astronomia observada . O princípio da incerteza de Heisenberg permite que a energia seja tão grande quanto necessário para promover ações quânticas por um breve momento de tempo, mesmo se a energia média for pequena o suficiente para satisfazer a relatividade e o espaço plano. Para lidar com divergências, a energia do vácuo é descrita como um potencial de energia virtual de energia positiva e negativa.

Na teoria de perturbação quântica , às vezes é dito que a contribuição dos diagramas de Feynman com um e vários loops para os propagadores de partículas elementares é a contribuição das flutuações do vácuo , ou a energia do ponto zero para as massas das partículas .

O vácuo eletrodinâmico quântico

O campo de força quantizado mais antigo e mais conhecido é o campo eletromagnético . As equações de Maxwell foram substituídas pela eletrodinâmica quântica (QED). Ao considerar a energia do ponto zero que surge do QED, é possível obter uma compreensão característica da energia do ponto zero que surge não apenas por meio de interações eletromagnéticas, mas em todas as teorias de campo quântico .

Redefinindo o zero de energia

Na teoria quântica do campo eletromagnético, as amplitudes clássicas das ondas α e α * são substituídas pelos operadores a e a que satisfazem:

A quantidade clássica | α | 2 que aparece na expressão clássica para a energia de um modo de campo é substituído na teoria quântica pelo operador de número de fótons a a . O fato de que:

implica que a teoria quântica não permite estados de campo de radiação para o qual o número de fótons e uma amplitude de campo pode ser definido com precisão, ou seja, não podemos ter eigenstates simultâneas para um um e um . A reconciliação dos atributos de onda e partícula do campo é realizada por meio da associação de uma amplitude de probabilidade com um padrão de modo clássico. O cálculo dos modos do campo é problema completamente clássica, enquanto as propriedades do quantum de campo são realizadas pelo modo de "amplitude" um e um associado com estes modos clássicos.

A energia do ponto zero do campo surge formalmente da não comutatividade de um e um . Isso é verdade para qualquer oscilador harmônico: a energia do ponto zeroħω/2 aparece quando escrevemos o hamiltoniano:

Costuma-se argumentar que o universo inteiro está completamente banhado no campo eletromagnético de ponto zero e, como tal, pode adicionar apenas alguma quantidade constante aos valores esperados. Medidas físicas irão, portanto, revelar apenas desvios do estado de vácuo. Assim, a energia do ponto zero pode ser eliminada do hamiltoniano redefinindo o zero da energia ou argumentando que é uma constante e, portanto, não tem efeito nas equações de movimento de Heisenberg. Assim, podemos optar por declarar por decreto que o estado fundamental tem energia zero e um hamiltoniano de campo, por exemplo, pode ser substituído por:

sem afetar quaisquer previsões físicas da teoria. O novo hamiltoniano é normalmente ordenado (ou ordenado por Wick) e é denotado por um símbolo de ponto duplo. O hamiltoniano normalmente ordenado é denotado : H F , ou seja:

Em outras palavras, dentro do símbolo normal de ordenação que pode comutar um e um . Visto que a energia do ponto zero está intimamente conectada à não comutatividade de a e a , o procedimento de ordenação normal elimina qualquer contribuição do campo do ponto zero. Isso é especialmente razoável no caso do hamiltoniano de campo, uma vez que o termo do ponto zero apenas adiciona uma energia constante que pode ser eliminada por uma redefinição simples para o zero de energia. Além disso, esta energia constante no Hamiltoniano obviamente comuta com um e um e, portanto, não pode ter qualquer efeito sobre a dinâmica quântica descritos pelas equações de Heisenberg de movimento.

No entanto, as coisas não são tão simples. A energia do ponto zero não pode ser eliminada perdendo sua energia do hamiltoniano: quando fazemos isso e resolvemos a equação de Heisenberg para um operador de campo, devemos incluir o campo de vácuo, que é a parte homogênea da solução para o operador de campo. De fato podemos mostrar que o campo de vácuo é essencial para a preservação dos comutadores e a consistência formal do QED . Quando calculamos a energia do campo, obtemos não apenas uma contribuição das partículas e forças que podem estar presentes, mas também uma contribuição do próprio campo de vácuo, ou seja, a energia do campo do ponto zero. Em outras palavras, a energia do ponto zero reaparece, embora possamos tê-la excluído do hamiltoniano.

O campo eletromagnético no espaço livre

A partir das equações de Maxwell, a energia eletromagnética de um campo "livre", ou seja, um sem fontes, é descrita por:

Apresentamos a "função de modo" A 0 ( r ) que satisfaz a equação de Helmholtz:

onde k =ω/c e suponha que seja normalizado de forma que:

Queremos "quantizar" a energia eletromagnética do espaço livre para um campo multimodo. A intensidade do campo do espaço livre deve ser independente da posição, de modo que | A 0 ( r ) | 2 deve ser independente de r para cada modo do campo. A função de modo que satisfaz essas condições é:

onde k · e k = 0 para que a condição de transversalidade · A ( r , t ) seja satisfeita para o calibre de Coulomb em que estamos trabalhando.

Para alcançar a normalização desejada, fingimos que o espaço é dividido em cubos de volume V = L 3 e impomos ao campo a condição de contorno periódica:

ou equivalente

onde n pode assumir qualquer valor inteiro. Isso nos permite considerar o campo em qualquer um dos cubos imaginários e definir a função de modo:

que satisfaz a equação de Helmholtz, transversalidade e a "normalização de caixa":

onde e k é escolhido para ser um vetor de unidade que especifica a polarização do modo de campo. A condição k · e k = 0 significa que existem duas escolhas independentes de e k , que chamamos de e k 1 e e k 2, onde e k 1 · e k 2 = 0 e e2
k 1
= e2
k 2
= 1
. Assim, definimos as funções de modo:

em termos do qual o potencial vetorial se torna:

ou:

onde ω k = kc e a k λ , a
k λ
são operadores de aniquilação e criação de fótons para o modo com vetor de onda k e polarização λ . Isso fornece o potencial vetorial para um modo de onda plana do campo. A condição para ( k x , k y , k z ) mostra que existem infinitos modos desse tipo. A linearidade das equações de Maxwell nos permite escrever:

para o potencial vetorial total no espaço livre. Usando o fato de que:

encontramos o campo hamiltoniano:

Este é o hamiltoniano para um número infinito de osciladores harmônicos desacoplados. Assim, diferentes modos do campo são independentes e satisfazem as relações de comutação:

Claramente, o menor valor próprio para H F é:

Este estado descreve a energia do ponto zero do vácuo. Parece que esta soma é divergente - na verdade, altamente divergente, como colocando no fator de densidade

shows. A soma torna-se aproximadamente a integral:

para valores altos de v . Ele diverge proporcional a v 4 para v grande .

Existem duas questões distintas a serem consideradas. Primeiro, a divergência é real, de modo que a energia do ponto zero é realmente infinita? Se considerarmos que o volume V está contido por paredes perfeitamente condutoras, frequências muito altas só podem ser contidas tendo uma condução cada vez mais perfeita. Nenhum método real de conter as altas frequências é possível. Tais modos não serão estacionários em nossa caixa e, portanto, não contáveis ​​no conteúdo de energia estacionária. Portanto, deste ponto de vista físico, a soma acima deve se estender apenas às frequências que são contáveis; uma energia de corte é, portanto, eminentemente razoável. No entanto, na escala de um "universo", as questões da relatividade geral devem ser incluídas. Suponha que até mesmo as caixas pudessem ser reproduzidas, encaixadas e fechadas perfeitamente curvando o espaço-tempo. Então, condições exatas para ondas em movimento podem ser possíveis. No entanto, os quanta de frequência muito alta ainda não serão contidos. De acordo com os "geons" de John Wheeler, eles vazarão para fora do sistema. Portanto, novamente um corte é permitido, quase necessário. A questão aqui se torna de consistência, já que os quanta de energia muito alta agirão como uma fonte de massa e começarão a curvar a geometria.

Isso leva à segunda pergunta. Divergente ou não, finita ou infinita, a energia do ponto zero tem algum significado físico? O ignorar de toda a energia do ponto zero é freqüentemente encorajado para todos os cálculos práticos. A razão para isso é que as energias não são normalmente definidas por um ponto de dados arbitrário, mas sim por mudanças nos pontos de dados, portanto, adicionar ou subtrair uma constante (mesmo se infinito) deve ser permitido. No entanto, esta não é toda a história, na realidade a energia não é definida de forma arbitrária: na relatividade geral, a sede da curvatura do espaço-tempo é o conteúdo de energia e aí a quantidade absoluta de energia tem um significado físico real. Não existe uma constante aditiva arbitrária com densidade de energia de campo. A densidade de energia curva o espaço e um aumento na densidade de energia produz um aumento na curvatura. Além disso, a densidade de energia do ponto zero tem outras consequências físicas, por exemplo, o efeito Casimir, contribuição para o deslocamento de Lamb ou momento magnético anômalo do elétron, é claro que não é apenas uma constante matemática ou artefato que pode ser cancelado.

Necessidade do campo de vácuo no QED

O estado de vácuo do campo eletromagnético "livre" (aquele sem fontes) é definido como o estado fundamental em que n k λ = 0 para todos os modos ( k , λ ) . O estado de vácuo, como todos os estados estacionários do campo, é um estado próprio do hamiltoniano, mas não dos operadores do campo elétrico e magnético. No estado de vácuo, portanto, os campos elétrico e magnético não têm valores definidos. Podemos imaginá-los flutuando em torno de seu valor médio de zero.

Em um processo em que um fóton é aniquilado (absorvido), podemos pensar que o fóton está fazendo uma transição para o estado de vácuo. Da mesma forma, quando um fóton é criado (emitido), ocasionalmente é útil imaginar que o fóton fez uma transição para fora do estado de vácuo. Um átomo, por exemplo, pode ser considerado "vestido" pela emissão e reabsorção de "fótons virtuais" do vácuo. A energia do estado de vácuo descrita por Σ k λ ħω k/2é infinito. Podemos fazer a substituição:

a densidade de energia do ponto zero é:

ou em outras palavras, a densidade de energia espectral do campo de vácuo:

A densidade de energia do ponto zero na faixa de frequência de ω 1 a ω 2 é, portanto:

Isso pode ser grande, mesmo em regiões relativamente estreitas de "baixa frequência" do espectro. Na região óptica de 400 a 700 nm, por exemplo, a equação acima rende cerca de 220 erg / cm 3 .

Mostramos na seção anterior que a energia do ponto zero pode ser eliminada do hamiltoniano pela prescrição de pedido normal. No entanto, essa eliminação não significa que o campo de vácuo se tornou sem importância ou sem consequências físicas. Para ilustrar este ponto, consideramos um oscilador dipolo linear no vácuo. O hamiltoniano para o oscilador mais o campo com o qual ele interage é:

Tem a mesma forma que o hamiltoniano clássico correspondente e as equações de movimento de Heisenberg para o oscilador e o campo são formalmente as mesmas que suas contrapartes clássicas. Por exemplo, as equações de Heisenberg para a coordenada xe o momento canônico p = m +e A/c do oscilador são:

ou:

uma vez que a taxa de variação do potencial vetorial no quadro da carga móvel é dada pela derivada convectiva

Para movimento não relativístico, podemos negligenciar a força magnética e substituir a expressão por m por:

Acima, fizemos a aproximação do dipolo elétrico em que a dependência espacial do campo é desprezada. A equação de Heisenberg para um k λ é encontrada da mesma forma no Hamiltoniano como sendo:

Na aproximação do dipolo elétrico.

Ao derivar essas equações para x , p e a k λ , usamos o fato de que a partícula de tempo igual e os operadores de campo comutam. Isso segue da suposição de que os operadores de partículas e de campo comutam em algum momento (digamos, t = 0 ) quando a interpretação do campo da matéria é presumida para começar, juntamente com o fato de que um operador de imagem de Heisenberg A ( t ) evolui no tempo conforme A ( t ) = U ( t ) A (0) U ( t ) , onde U ( t ) é o operador de evolução do tempo satisfazendo

Alternativamente, podemos argumentar que esses operadores devem comutar se quisermos obter as equações de movimento corretas do hamiltoniano, assim como os colchetes de Poisson correspondentes na teoria clássica devem desaparecer para gerar as equações de Hamilton corretas. A solução formal da equação de campo é:

e, portanto, a equação para ȧ k λ pode ser escrita:

Onde:

e:

Pode ser mostrado que no campo de reação de radiação , se a massa m é considerada como a massa "observada", então podemos tomar:

O campo total atuando no dipolo tem duas partes, E 0 ( t ) e E RR ( t ) . E 0 ( t ) é o campo de ponto zero ou livre atuando no dipolo. É a solução homogênea da equação de Maxwell para o campo atuante no dipolo, ou seja, a solução, na posição do dipolo, da equação de onda.

satisfeita pelo campo no vácuo (livre da fonte). Por esta razão, E 0 ( t ) é freqüentemente referido como o "campo de vácuo", embora seja, naturalmente, um operador de imagem de Heisenberg agindo em qualquer estado do campo que seja apropriado em t = 0 . E RR ( t ) é o campo fonte, o campo gerado pelo dipolo e atuando no dipolo.

Usando a equação acima para E RR ( t ) , obtemos uma equação para o operador de imagem de Heisenberg que é formalmente a mesma que a equação clássica para um oscilador dipolo linear:

onde τ =2 e 2/3 mc 3. neste caso, consideramos um dipolo no vácuo, sem nenhum campo "externo" atuando sobre ele. o papel do campo externo na equação acima é desempenhado pelo campo elétrico do vácuo atuando no dipolo.

Classicamente, um dipolo no vácuo não sofre a ação de nenhum campo "externo": se não houver fontes além do próprio dipolo, então o único campo atuando no dipolo é seu próprio campo de reação de radiação. Na teoria quântica, entretanto, há sempre um campo "externo", ou seja, o campo livre de fonte ou vácuo E 0 ( t ) .

De acordo com nossa equação anterior para a k λ ( t ), o campo livre é o único campo existente em t = 0 como o momento em que a interação entre o dipolo e o campo é "ligada". O vetor de estado do sistema de campo dipolo em t = 0 é, portanto, da forma

onde | vac⟩ é o estado de vácuo do campo e | ψ D é o estado inicial do oscilador dipolo. O valor esperado do campo livre é, portanto, sempre igual a zero:

uma vez que a k λ (0) | vac⟩ = 0 . no entanto, a densidade de energia associada ao campo livre é infinita:

O ponto importante disso é que a energia do campo de ponto zero H F não afeta a equação de Heisenberg para um k λ, uma vez que é um número c ou constante (ou seja, um número comum em vez de um operador) e comuta com um k λ . Podemos, portanto, retirar a energia do campo de ponto zero do hamiltoniano, como geralmente é feito. Mas o campo de ponto zero ressurge como a solução homogênea para a equação de campo. Uma partícula carregada no vácuo, portanto, sempre verá um campo de ponto zero de densidade infinita. Esta é a origem de uma das infinidades da eletrodinâmica quântica, e não pode ser eliminada pelo uso trivial do termo Σ k λ ħω k/2 no campo Hamiltoniano.

O campo livre é de fato necessário para a consistência formal da teoria. Em particular, é necessário para a preservação das relações de comutação, o que é exigido pela evolução unitária de tempo na teoria quântica:

Podemos calcular [ z ( t ), p z ( t )] a partir da solução formal da equação do operador do movimento

Usando o fato de que

e que os operadores de partículas e de campo em tempo igual comutam, obtemos:

Para o oscilador dipolo em consideração, pode-se supor que a taxa de amortecimento radiativo é pequena em comparação com a frequência de oscilação natural, ou seja, τω 0 ≪ 1 . Então, o integrando acima tem um pico agudo em ω = ω 0 e:

a necessidade do campo de vácuo também pode ser apreciada fazendo a pequena aproximação de amortecimento em

e

Sem o campo livre E 0 ( t ) nesta equação, o operador x ( t ) seria exponencialmente amortecido, e comutadores como [ z ( t ), p z ( t )] se aproximariam de zero para t1/τω2
0
. Com o campo de vácuo incluído, no entanto, o comutador é em todos os momentos, conforme exigido pela unidade, e como acabamos de mostrar. Um resultado semelhante é facilmente obtido para o caso de uma partícula livre em vez de um oscilador dipolo.

O que temos aqui é um exemplo de "elação flutuação-dissipação". De modo geral, se um sistema é acoplado a um banho que pode tirar energia do sistema de uma forma efetivamente irreversível, o banho também deve causar flutuações. As flutuações e a dissipação andam de mãos dadas, não podemos ter uma sem a outra. No exemplo atual, o acoplamento de um oscilador dipolo ao campo eletromagnético tem um componente dissipativo, na forma de campo de ponto zero (vácuo); dada a existência de reação de radiação, o campo de vácuo também deve existir a fim de preservar a regra de comutação canônica e tudo o que ela acarreta.

A densidade espectral do campo de vácuo é fixada pela forma do campo de reação de radiação, ou vice-versa: porque o campo de reação de radiação varia com a terceira derivada de x , a densidade de energia espectral do campo de vácuo deve ser proporcional à terceira potência de ω para que [ z ( t ), p z ( t )] seja mantido. No caso de uma força dissipativa proporcional a , ao contrário, a força de flutuação deve ser proporcional a , a fim de manter a relação de comutação canônica. Essa relação entre a forma da dissipação e a densidade espectral da flutuação é a essência do teorema da flutuação-dissipação.

O fato de que a relação de comutação canônica para um oscilador harmônico acoplado ao campo de vácuo é preservada implica que a energia do ponto zero do oscilador é preservada. é fácil mostrar que, após algumas vezes de amortecimento, o movimento do ponto zero do oscilador é de fato sustentado pelo campo do ponto zero acionador.

O vácuo cromodinâmico quântico

O vácuo QCD é o estado de vácuo da cromodinâmica quântica (QCD). É um exemplo de estado de vácuo não perturbativo , caracterizado por condensados não desaparecidos , como o condensado de glúon e o condensado de quark na teoria completa que inclui quarks. A presença desses condensados ​​caracteriza a fase confinada da matéria quark . Em termos técnicos, os glúons são bósons de medida vetorial que medeiam fortes interações de quarks na cromodinâmica quântica (QCD). Os próprios glúons carregam a carga de cor da interação forte. É diferente do fóton , que medeia a interação eletromagnética, mas não tem carga elétrica. Os glúons, portanto, participam da interação forte, além de mediá-la, tornando o QCD significativamente mais difícil de analisar do que o QED ( eletrodinâmica quântica ), pois lida com equações não lineares para caracterizar tais interações.

O campo de Higgs

O potencial para o campo de Higgs, plotado em função de ϕ 0 e ϕ 3 . Possui perfil de chapéu mexicano ou garrafa de champanhe no chão.

O modelo padrão levanta a hipótese de um campo denominado campo de Higgs (símbolo: ϕ ), que possui a propriedade incomum de uma amplitude diferente de zero em sua energia de estado fundamental (ponto zero) após a renormalização; ou seja, um valor de expectativa de vácuo diferente de zero. Ele pode ter esse efeito por causa de seu potencial incomum em forma de "chapéu mexicano", cujo "ponto" mais baixo não está em seu "centro". Abaixo de um certo nível de energia extremamente alto, a existência dessa expectativa de vácuo diferente de zero quebra espontaneamente a simetria do medidor eletrofraco que, por sua vez, dá origem ao mecanismo de Higgs e dispara a aquisição de massa por aquelas partículas que interagem com o campo. O mecanismo de Higgs ocorre sempre que um campo carregado tem um valor de expectativa de vácuo. Esse efeito ocorre porque os componentes do campo escalar do campo de Higgs são "absorvidos" pelos bósons massivos como graus de liberdade e se acoplam aos férmions via acoplamento de Yukawa, produzindo assim os termos de massa esperados. O valor de expectativa φ 0 no estado fundamental (o valor esperado de vácuo ou VEV) é, em seguida, φ 0 ⟩ =v/2, onde v =| μ |/λ. O valor medido deste parâmetro é aproximadamente246 GeV / c 2 . Ele possui unidades de massa e é o único parâmetro livre do Modelo Padrão que não é um número adimensional.

O mecanismo de Higgs é um tipo de supercondutividade que ocorre no vácuo. Ocorre quando todo o espaço é preenchido com um mar de partículas que são carregadas e, portanto, o campo tem um valor de expectativa de vácuo diferente de zero. A interação com a energia do vácuo que preenche o espaço impede que certas forças se propaguem por longas distâncias (como acontece em um meio supercondutor; por exemplo, na teoria de Ginzburg-Landau ).

Observações experimentais

A energia do ponto zero tem muitas consequências físicas observadas. É importante notar que a energia do ponto zero não é meramente um artefato do formalismo matemático que pode, por exemplo, ser eliminado de um hamiltoniano redefinindo o zero da energia ou argumentando que é uma constante e, portanto, não tem efeito sobre Equações de movimento de Heisenberg sem consequências posteriores. Na verdade, tal tratamento poderia criar um problema em uma teoria mais profunda, ainda não descoberta. Por exemplo, na relatividade geral, o zero de energia (ou seja, a densidade de energia do vácuo) contribui para uma constante cosmológica do tipo introduzido por Einstein a fim de obter soluções estáticas para suas equações de campo. A densidade de energia do ponto zero do vácuo, devido a todos os campos quânticos, é extremamente grande, mesmo quando cortamos as maiores frequências permitidas com base em argumentos físicos plausíveis. Implica uma constante cosmológica maior do que os limites impostos pela observação em cerca de 120 ordens de magnitude. Esse "problema constante cosmológico" continua sendo um dos maiores mistérios não resolvidos da física.

Efeito casimiro

Forças de Casimir em placas paralelas

Um fenômeno comumente apresentado como evidência da existência de energia de ponto zero no vácuo é o efeito Casimir , proposto em 1948 pelo físico holandês Hendrik Casimir , que considerou o campo eletromagnético quantizado entre um par de placas de metal neutras aterradas. A energia do vácuo contém contribuições de todos os comprimentos de onda, exceto aqueles excluídos pelo espaçamento entre as placas. À medida que as placas se juntam, mais comprimentos de onda são excluídos e a energia do vácuo diminui. A diminuição da energia significa que deve haver uma força atuando nas placas enquanto elas se movem.

Os primeiros testes experimentais da década de 1950 em diante deram resultados positivos mostrando que a força era real, mas outros fatores externos não puderam ser descartados como a causa primária, com a faixa de erro experimental às vezes sendo quase 100%. Isso mudou em 1997 com Lamoreaux mostrando conclusivamente que a força Casimir era real. Os resultados foram repetidamente replicados desde então.

Em 2009, Munday et al. publicou provas experimentais de que (como previsto em 1961) a força de Casimir também poderia ser repulsiva, além de atraente. As forças repulsivas de Casimir podem permitir a levitação quântica de objetos em um fluido e levar a uma nova classe de dispositivos comutáveis ​​em nanoescala com atrito estático ultrabaixo.

Um efeito colateral hipotético interessante do efeito Casimir é o efeito Scharnhorst , um fenômeno hipotético no qual os sinais de luz viajam ligeiramente mais rápido do que c entre duas placas condutoras próximas.

Mudança de cordeiro

Estrutura fina dos níveis de energia no hidrogênio - correções relativísticas ao modelo de Bohr

As flutuações quânticas do campo eletromagnético têm consequências físicas importantes. Além do efeito Casimir, eles também levam a uma divisão entre os dois níveis de energia 2 S1/2e 2 P1/2(em notação de símbolo de termo ) do átomo de hidrogênio que não foi predito pela equação de Dirac , segundo a qual esses estados deveriam ter a mesma energia. Partículas carregadas podem interagir com as flutuações do campo de vácuo quantizado, levando a pequenas mudanças na energia, esse efeito é chamado de mudança de Lamb. A mudança de cerca de4,38 × 10 −6  eV é aproximadamente10 -7 da diferença entre as energias dos 1s e níveis 2s, e eleva-se a 1058 MHz em unidades de frequência. Uma pequena parte dessa mudança (27 MHz ≈ 3%) surge não das flutuações do campo eletromagnético, mas das flutuações do campo elétron-pósitron. A criação de pares elétron-pósitron (virtuais) tem o efeito de filtrar o campo de Coulomb e atua como uma constante dielétrica de vácuo. Este efeito é muito mais importante em átomos muônicos.

Constante de estrutura fina

Tomando ħ ( constante de Planck dividida por ), c (a velocidade da luz ) e e 2 =q2
e
/ε 0
(a constante de acoplamento eletromagnético, ou seja, uma medida da força da força eletromagnética (onde q e é o valor absoluto da carga eletrônica e é a permissividade do vácuo )), podemos formar uma quantidade adimensional chamada de constante de estrutura fina :

A constante de estrutura fina é a constante de acoplamento da eletrodinâmica quântica (QED) que determina a força da interação entre elétrons e fótons. Acontece que a constante de estrutura fina não é realmente uma constante devido às flutuações de energia do ponto zero do campo elétron-pósitron. As flutuações quânticas causadas pela energia do ponto zero têm o efeito de filtrar as cargas elétricas: devido à produção do par elétron-pósitron (virtual), a carga da partícula medida longe da partícula é muito menor do que a carga medida perto dela.

A desigualdade de Heisenberg onde ħ =h/, e Δ x , Δ p são os desvios padrão de posição e momentum estados que:

Isso significa que uma distância curta implica grande momento e, portanto, alta energia, ou seja, partículas de alta energia devem ser usadas para explorar distâncias curtas. QED conclui que a constante de estrutura fina é uma função crescente da energia. Foi demonstrado que em energias da ordem da energia de repouso do bóson Z 0 , m z c 2 90 GeV, que:

ao invés do α ≈ de baixa energia1/137. O procedimento de renormalização de eliminação de infinitos de energia de ponto zero permite a escolha de uma escala de energia (ou distância) arbitrária para definir α . Em suma , α depende da escala de energia característica do processo em estudo e também dos detalhes do procedimento de renormalização. A dependência energética de α tem sido observada há vários anos em experimentos de precisão em física de alta energia.

Birrefringência a vácuo

A luz proveniente da superfície de uma estrela de nêutrons fortemente magnética (esquerda) torna-se linearmente polarizada à medida que viaja através do vácuo.

Na presença de campos eletrostáticos fortes, prevê-se que as partículas virtuais se separem do estado de vácuo e formem matéria real. O fato de que a radiação eletromagnética pode ser transformada em matéria e vice-versa leva a recursos fundamentalmente novos na eletrodinâmica quântica . Uma das consequências mais importantes é que, mesmo no vácuo, as equações de Maxwell precisam ser trocadas por fórmulas mais complicadas. Em geral, não será possível separar os processos no vácuo dos processos que envolvem a matéria, pois os campos eletromagnéticos podem criar matéria se as flutuações do campo forem fortes o suficiente. Isso leva a uma interação não linear altamente complexa - a gravidade terá um efeito na luz ao mesmo tempo que a luz tem um efeito na gravidade. Esses efeitos foram previstos pela primeira vez por Werner Heisenberg e Hans Heinrich Euler em 1936 e independentemente no mesmo ano por Victor Weisskopf que afirmou: "As propriedades físicas do vácuo se originam na" energia do ponto zero "da matéria, que também depende da ausência de partículas através das intensidades de campo externo e, portanto, contribui com um termo adicional para a energia de campo puramente Maxwelliana ". Assim, campos magnéticos fortes variam a energia contida no vácuo. A escala acima da qual se espera que o campo eletromagnético se torne não linear é conhecida como limite de Schwinger . Neste ponto, o vácuo tem todas as propriedades de um meio birrefringente , portanto, em princípio, uma rotação do quadro de polarização (o efeito Faraday ) pode ser observada no espaço vazio.

Amplo campo de visão da estrela de nêutrons RX J1856.5-3754

Tanto a teoria da relatividade especial quanto a geral de Einstein afirmam que a luz deve passar livremente pelo vácuo sem ser alterada, um princípio conhecido como invariância de Lorentz . Ainda, em teoria, grande auto-interação não linear de luz devido a flutuações quânticas deveria levar a este princípio sendo mensuravelmente violado se as interações forem fortes o suficiente. Quase todas as teorias da gravidade quântica preveem que essa invariância de Lorentz não é uma simetria exata da natureza. É predito que a velocidade com que a luz viaja através do vácuo depende de sua direção, polarização e da força local do campo magnético. Houve uma série de resultados inconclusivos que afirmam mostrar evidências de uma violação de Lorentz ao encontrar uma rotação do plano de polarização da luz proveniente de galáxias distantes. A primeira evidência concreta para birefringence vácuo foi publicada em 2017, quando uma equipe de astrônomos olhou para a luz proveniente da estrela RX J1856.5-3754 , o mais próximo descobriu estrela de nêutrons para a Terra .

Roberto Mignani, do Instituto Nacional de Astrofísica de Milão, que liderou a equipe de astrônomos , comentou que "Quando Einstein apresentou a teoria da relatividade geral, 100 anos atrás, ele não tinha ideia de que ela seria usada para sistemas de navegação. As consequências de esta descoberta provavelmente também terá de ser realizada em uma escala de tempo mais longa. " A equipe descobriu que a luz visível da estrela sofreu polarização linear de cerca de 16%. Se a birrefringência fosse causada pela passagem da luz pelo gás interestelar ou plasma, o efeito não deveria ter sido superior a 1%. A prova definitiva exigiria repetir a observação em outros comprimentos de onda e em outras estrelas de nêutrons. Em comprimentos de onda de raios-X, a polarização das flutuações quânticas deve ser próxima a 100%. Embora não exista atualmente nenhum telescópio que possa fazer tais medições, há vários telescópios de raios-X propostos que podem em breve ser capazes de verificar o resultado de forma conclusiva, como o Hard X-ray Modulation Telescope (HXMT) da China e o Imaging X-ray Polarimetry Explorer da NASA ( IXPE).

Envolvimento especulado em outros fenômenos

Energia escura

Problema não resolvido na física :

Por que a grande energia do ponto zero do vácuo não causa uma grande constante cosmológica ? O que o cancela?

No final da década de 1990, foi descoberto que supernovas muito distantes eram mais escuras do que o esperado, sugerindo que a expansão do universo estava se acelerando em vez de desacelerar. Essa discussão reavivou a discussão de que a constante cosmológica de Einstein , por muito tempo desconsiderada pelos físicos como sendo igual a zero, era na verdade um pequeno valor positivo. Isso indicaria que o espaço vazio exerceu alguma forma de pressão ou energia negativa .

Não há um candidato natural para o que pode causar o que foi chamado de energia escura, mas o melhor palpite atual é que é a energia do ponto zero do vácuo. Uma dificuldade com essa suposição é que a energia do ponto zero do vácuo é absurdamente grande em comparação com a constante cosmológica observada. Na relatividade geral , massa e energia são equivalentes; ambos produzem um campo gravitacional e, portanto, a energia do vácuo teorizada da teoria quântica de campos deveria ter feito o universo se despedaçar. Isso obviamente não aconteceu e esse problema, chamado de problema da constante cosmológica , é um dos maiores mistérios não resolvidos da física.

A Agência Espacial Européia está construindo o telescópio Euclides . Com lançamento previsto para 2022, ele mapeará galáxias a até 10 bilhões de anos-luz de distância. Ao ver como a energia escura influencia seu arranjo e forma, a missão permitirá aos cientistas ver se a força da energia escura mudou. Se a energia escura variar ao longo do tempo, isso indicaria que é devido à quintessência , onde a aceleração observada é devido à energia de um campo escalar , ao invés da constante cosmológica. Nenhuma evidência de quintessência ainda está disponível, mas também não foi descartada. Geralmente prevê uma aceleração ligeiramente mais lenta da expansão do universo do que a constante cosmológica. Alguns cientistas pensam que a melhor evidência da quintessência viria das violações do princípio de equivalência de Einstein e da variação das constantes fundamentais no espaço ou no tempo. Os campos escalares são previstos pelo modelo padrão da física de partículas e teoria das cordas , mas um problema análogo ao problema da constante cosmológica (ou o problema de construir modelos de inflação cosmológica ) ocorre: a teoria de renormalização prevê que os campos escalares devem adquirir grandes massas novamente devido a energia do ponto zero.

Inflação cósmica

Problema não resolvido na física :

Por que o universo observável tem mais matéria do que antimatéria?

A inflação cósmica é uma expansão do espaço mais rápida que a luz logo após o Big Bang . Isso explica a origem da estrutura em grande escala do cosmos . Acredita-se que as flutuações quânticas do vácuo causadas por energia de ponto zero surgindo no período inflacionário microscópico, posteriormente aumentaram para um tamanho cósmico, tornando-se as sementes gravitacionais para galáxias e estruturas no Universo (ver formação e evolução de galáxias e formação de estruturas ). Muitos físicos também acreditam que a inflação explica por que o Universo parece ser o mesmo em todas as direções ( isotrópico ), por que a radiação cósmica de fundo em microondas é distribuída uniformemente, por que o Universo é plano e por que nenhum monopólo magnético foi observado.

O mecanismo de inflação não é claro, é semelhante em efeito à energia escura, mas é um processo muito mais enérgico e de curta duração. Tal como acontece com a energia escura, a melhor explicação é alguma forma de energia do vácuo que surge das flutuações quânticas. Pode ser que a inflação tenha causado a bariogênese , os processos físicos hipotéticos que produziram uma assimetria (desequilíbrio) entre os bárions e os antibárions produzidos nos primórdios do universo , mas isso está longe de ser certo.

Teorias alternativas

Tem havido um longo debate sobre a questão de saber se as flutuações de ponto zero de campos de vácuo quantizados são "reais", isto é, elas têm efeitos físicos que não podem ser interpretados por uma teoria alternativa igualmente válida? Schwinger , em particular, tentou formular QED sem referência a flutuações de ponto zero por meio de sua "teoria da fonte". A partir de tal abordagem, é possível derivar o Efeito Casimir sem referência a um campo flutuante. Tal derivação foi dada pela primeira vez por Schwinger (1975) para um campo escalar, e então generalizada para o caso eletromagnético por Schwinger, DeRaad e Milton (1978). em que afirmam "o vácuo é considerado verdadeiramente um estado com todas as propriedades físicas iguais a zero". Mais recentemente, Jaffe (2005) destacou uma abordagem semelhante ao derivar o efeito Casimir, afirmando que "o conceito de flutuações de ponto zero é uma ajuda heurística e de cálculo na descrição do efeito Casimir, mas não uma necessidade no QED."

No entanto, como o próprio Jaffe observa em seu artigo, "ninguém mostrou que a teoria da fonte ou outra abordagem baseada na matriz S pode fornecer uma descrição completa de QED para todos os pedidos." Além disso, Milonni mostrou a necessidade do campo de vácuo para a consistência formal do QED. Na QCD , o confinamento da cor levou os físicos a abandonar a teoria da fonte ou abordagem baseada na matriz S para as interações fortes . O mecanismo de Higgs , a radiação Hawking e o efeito Unruh também são teorizados como dependentes de flutuações de vácuo de ponto zero, sendo a contribuição do campo uma parte inseparável dessas teorias. Jaffe continua "Mesmo se alguém pudesse argumentar contra as contribuições de ponto zero para a energia do vácuo quântico, o problema da quebra espontânea da simetria permanece: condensados ​​[estado fundamental de vácuo] que carregam energia aparecem em muitas escalas de energia no Modelo Padrão. Portanto, é bom razão para ser cético em relação às tentativas de evitar a formulação padrão da teoria quântica de campos e as energias de ponto zero que ela traz consigo. " É difícil julgar a realidade física de energias de ponto zero infinitas que são inerentes às teorias de campo, mas a física moderna não conhece melhor maneira de construir teorias renormalizáveis ​​e invariáveis ​​de calibre do que com energia de ponto zero e elas parecem ser uma necessidade para qualquer tentativa de uma teoria unificada .

Fenômenos caóticos e emergentes

Os modelos matemáticos usados ​​no eletromagnetismo clássico , eletrodinâmica quântica (QED) e o modelo padrão veem o vácuo eletromagnético como um sistema linear sem nenhuma consequência observável geral (por exemplo, no caso do efeito Casimir, deslocamento de Lamb e assim por diante) esses fenômenos pode ser explicado por mecanismos alternativos diferentes da ação do vácuo por mudanças arbitrárias na ordem normal dos operadores de campo. Veja a seção de teorias alternativas ). Isso é uma consequência de ver o eletromagnetismo como uma teoria de gauge U (1), que topologicamente não permite a interação complexa de um campo consigo mesmo. Em grupos de maior simetria e na realidade, o vácuo não é uma substância calma, flutuante aleatoriamente, amplamente imaterial e passiva, mas às vezes pode ser visto como um plasma virtual turbulento que pode ter vórtices complexos (ou seja, sólitons vis-à-vis partículas) , estados emaranhados e uma rica estrutura não linear. Existem muitos fenômenos eletromagnéticos físicos não lineares observados, como efeitos de rotação de fase Aharonov – Bohm (AB) e Altshuler – Aronov – Spivak (AAS), Berry , Aharonov – Anandan, Pancharatnam e Chiao – Wu efeitos de rotação de fase, efeito Josephson , efeito Quantum Hall , o Efeito De Haas-Van Alphen , o efeito Sagnac e muitos outros fenômenos fisicamente observáveis ​​que indicariam que o campo potencial eletromagnético tem um significado físico real em vez de ser um artefato matemático e, portanto, uma teoria abrangente não confinaria o eletromagnetismo como uma força local como é feito atualmente, mas como uma teoria de calibre SU (2) ou geometria superior. Simetrias mais altas permitem comportamento aperiódico não linear que se manifesta como uma variedade de fenômenos complexos de não equilíbrio que não surgem na teoria U (1) linearizada, como múltiplos estados estáveis , quebra de simetria , caos e emergência .

O que hoje chamamos de equações de Maxwell são, na verdade, uma versão simplificada das equações originais reformuladas por Heaviside , FitzGerald , Lodge e Hertz . As equações originais usadas Hamilton mais expressiva do quaternion notação, uma espécie de álgebra de Clifford , que subsume totalmente o padrão equações vetoriais Maxwell amplamente usados hoje. No final da década de 1880, houve um debate sobre os méritos relativos da análise vetorial e dos quatérnios. Segundo Heaviside, o campo potencial eletromagnético era puramente metafísico, uma ficção matemática arbitrária, que precisava ser "assassinada". Concluiu-se que não havia necessidade de maiores insights físicos fornecidos pelos quatérnios se a teoria fosse puramente local por natureza. A análise vetorial local tornou-se a forma dominante de usar as equações de Maxwell desde então. No entanto, esta abordagem estritamente vetorial levou a um entendimento topológico restritivo em algumas áreas do eletromagnetismo, por exemplo, um entendimento completo da dinâmica de transferência de energia no circuito oscilador- lançador de Tesla só pode ser alcançado em álgebra quaterniônica ou SU superior (2) simetrias. Freqüentemente, argumenta-se que os quatérnios não são compatíveis com a relatividade especial, mas vários artigos têm mostrado maneiras de incorporar a relatividade.

Um bom exemplo de eletromagnetismo não linear é em plasmas densos de alta energia, onde fenômenos vorticais ocorrem que aparentemente violam a segunda lei da termodinâmica , aumentando o gradiente de energia dentro do campo eletromagnético e violando as leis de Maxwell, criando correntes de íons que capturam e concentram seus próprios e circundantes Campos magnéticos. Em particular a lei de força de Lorentz , que elabora as equações de Maxwell, é violada por esses vórtices livres de força. Essas violações aparentes se devem ao fato de que as leis de conservação tradicionais na eletrodinâmica quântica e clássica (QED) exibem apenas simetria U (1) linear (em particular, pelo teorema de Noether estendido , as leis de conservação , como as leis da termodinâmica, nem sempre precisam aplicam- se a sistemas dissipativos , que são expressos em medidores de maior simetria). A segunda lei da termodinâmica afirma que, em um sistema linear fechado, o fluxo de entropia só pode ser positivo (ou exatamente zero no final de um ciclo). No entanto, a entropia negativa (isto é, ordem, estrutura ou auto-organização aumentada) pode aparecer espontaneamente em um sistema termodinâmico não linear aberto que está longe do equilíbrio, desde que essa ordem emergente acelere o fluxo geral de entropia no sistema total. O Prêmio Nobel de Química de 1977 foi concedido ao termodinamicista Ilya Prigogine por sua teoria dos sistemas dissipativos que descreveu essa noção. Prigogine descreveu o princípio como "ordem por meio de flutuações" ou "ordem a partir do caos". Tem sido argumentado por alguns que toda ordem emergente no universo de galáxias, sistemas solares, planetas, clima, química complexa, biologia evolutiva até mesmo a consciência, tecnologia e civilizações são eles próprios exemplos de sistemas dissipativos termodinâmicos; a natureza tendo naturalmente selecionado essas estruturas para acelerar o fluxo de entropia dentro do universo em um grau cada vez maior. Por exemplo, estima-se que o corpo humano é 10.000 vezes mais eficaz na dissipação de energia por unidade de massa do que o sol.

Pode-se questionar o que isso tem a ver com a energia do ponto zero. Dado o comportamento complexo e adaptativo que surge de sistemas não lineares, considerável atenção nos últimos anos foi dada ao estudo de uma nova classe de transições de fase que ocorrem em temperatura zero absoluta. Estas são transições de fase quânticas que são conduzidas por flutuações do campo EM como consequência da energia do ponto zero. Um bom exemplo de transição de fase espontânea que é atribuída a flutuações de ponto zero pode ser encontrado em supercondutores . A supercondutividade é um dos fenômenos eletromagnéticos macroscópicos empiricamente quantificados mais conhecidos, cuja base é reconhecida como sendo de origem mecânica quântica. O comportamento dos campos elétricos e magnéticos sob supercondutividade é governado pelas equações de Londres . No entanto, foi questionado em uma série de artigos de jornal se as equações de Londres canonizadas mecanicamente quânticas podem receber uma derivação puramente clássica. Bostick, por exemplo, afirmou ter mostrado que as equações de Londres realmente têm uma origem clássica que se aplica a supercondutores e também a alguns plasmas sem colisão. Em particular, foi afirmado que os vórtices de Beltrami no foco de plasma exibem a mesma morfologia de tubo de fluxo emparelhada que os supercondutores do Tipo II . Outros também apontaram esta conexão, Fröhlich mostrou que as equações hidrodinâmicas de fluidos compressíveis, juntamente com as equações de London, levam a um parâmetro macroscópico ( = densidade de carga elétrica / densidade de massa), sem envolver fatores de fase quântica ou constante de Planck. Em essência, foi afirmado que as estruturas de vórtice de plasma de Beltrami são capazes de pelo menos simular a morfologia dos supercondutores Tipo I e Tipo II . Isso ocorre porque a energia dissipativa "organizada" da configuração do vórtice que compreende os íons e elétrons excede em muito a energia térmica dissipativa aleatória "desorganizada". A transição de flutuações desorganizadas para estruturas helicoidais organizadas é uma transição de fase envolvendo uma mudança na energia do condensado (isto é, o estado fundamental ou a energia do ponto zero), mas sem qualquer aumento associado na temperatura . Este é um exemplo de energia de ponto zero com vários estados estáveis ​​(ver transição de fase quântica , ponto crítico quântico , degenerescência topológica , ordem topológica ) e onde a estrutura geral do sistema é independente de uma visão reducionista ou determinística, essa ordem macroscópica "clássica" também pode afetar causalmente fenômenos quânticos. Além disso, a produção de pares de vórtices de Beltrami foi comparada à morfologia da produção de pares de partículas virtuais no vácuo.

Linha do tempo da expansão métrica do espaço . À esquerda, a expansão dramática ocorre na época inflacionária .

A ideia de que a energia do vácuo pode ter vários estados de energia estáveis ​​é uma das principais hipóteses para a causa da inflação cósmica . Na verdade, tem-se argumentado que essas flutuações iniciais do vácuo levaram à expansão do universo e, por sua vez, garantiram as condições de desequilíbrio necessárias para impulsionar a ordem do caos, pois sem tal expansão o universo teria atingido o equilíbrio térmico e nenhuma complexidade poderia ter existido. Com a expansão acelerada contínua do universo, o cosmos gera um gradiente de energia que aumenta a "energia livre" (ou seja, a energia disponível, utilizável ou potencial para trabalho útil) que o universo é capaz de utilizar para criar formas cada vez mais complexas de ordem . A única razão pela qual o meio ambiente da Terra não entra em um estado de equilíbrio é que ela recebe uma dose diária de sol e isso, por sua vez, é devido ao sol "poluir" o espaço interestelar com entropia decrescente. O poder de fusão do Sol só é possível devido ao desequilíbrio gravitacional da matéria que surgiu da expansão cósmica. Nesta essência, a energia do vácuo pode ser vista como a principal causa da entropia negativa (ou seja, estrutura) em todo o universo. O fato de a humanidade poder alterar a morfologia da energia do vácuo para criar um gradiente de energia para um trabalho útil é assunto de muita controvérsia.

Supostos aplicativos

Os físicos rejeitam esmagadoramente qualquer possibilidade de que o campo de energia do ponto zero possa ser explorado para obter energia útil ( trabalho ) ou momento não compensado; tais esforços são vistos como equivalentes a máquinas de movimento perpétuo .

No entanto, o fascínio pela energia livre motivou essas pesquisas, geralmente caindo na categoria de ciência periférica . Já em 1889 (antes da teoria quântica ou da descoberta da energia do ponto zero), Nikola Tesla propôs que a energia útil poderia ser obtida do espaço livre, ou o que se supôs na época ser um éter onipresente . Outros, desde então, alegaram explorar o ponto zero ou a energia do vácuo com uma grande quantidade de literatura pseudocientífica causando ridículo em torno do assunto. Apesar da rejeição da comunidade científica, o aproveitamento da energia de ponto zero continua a ser um interesse de pesquisa por entidades não científicas, especialmente nos EUA, onde atraiu a atenção de grandes empreiteiros aeroespaciais / de defesa e do Departamento de Defesa dos EUA , bem como na China , Alemanha, Rússia e Brasil.

Baterias e motores Casimir

Uma suposição comum é que a força Casimir tem pouco uso prático; o argumento é que a única maneira de realmente ganhar energia das duas placas é permitir que elas se unam (separá-las novamente exigiria mais energia) e, portanto, é uma força minúscula de uso único na natureza. Em 1984, Robert Forward publicou um trabalho mostrando como uma "bateria de flutuação a vácuo" poderia ser construída. A bateria pode ser recarregada tornando as forças elétricas ligeiramente mais fortes do que a força Casimir para reexpandir as placas.

Em 1995 e 1998, Maclay et al. publicou os primeiros modelos de um sistema microeletromecânico (MEMS) com forças de Casimir. Embora não explorando a força Casimir para um trabalho útil, os documentos chamaram a atenção da comunidade MEMS devido à revelação de que o efeito Casimir precisa ser considerado um fator vital no projeto futuro de MEMS. Em particular, o efeito Casimir pode ser o fator crítico na falha de atrito de MEMS.

Em 1999, Pinto, ex-cientista da NASA 's Jet Propulsion Laboratory da Caltech , em Pasadena, publicado na Physical Review sua experiência de pensamento (Gedankenexperiment) para um "motor de Casimir". O artigo mostrou que a troca líquida positiva contínua de energia do efeito Casimir era possível, mesmo afirmando em abstrato "No caso de não haver outras explicações alternativas, deve-se concluir que grandes avanços tecnológicos na área de intermináveis ​​subprodutos a produção de energia poderia ser alcançada. "

Em 2001, Capasso et al. mostraram como a força pode ser usada para controlar o movimento mecânico de um dispositivo MEMS. Os pesquisadores suspenderam uma placa de polissilício de uma haste de torção - uma barra horizontal de torção com apenas alguns mícrons de diâmetro. Quando eles aproximaram uma esfera metalizada da placa, a força atrativa de Casimir entre os dois objetos fez a placa girar. Eles também estudaram o comportamento dinâmico do dispositivo MEMS fazendo a placa oscilar. A força de Casimir reduziu a taxa de oscilação e levou a fenômenos não lineares, como histerese e biestabilidade na resposta em frequência do oscilador. Segundo a equipe, o comportamento do sistema concordou bem com os cálculos teóricos.

Apesar deste e de vários artigos semelhantes revisados ​​por pares, não há consenso se tais dispositivos podem produzir uma produção contínua de trabalho. Garret Moddel da Universidade do Colorado destacou que ele acredita que tais dispositivos dependem da suposição de que a força Casimir é uma força não conservadora , ele argumenta que há evidências suficientes (por exemplo, análise de Scandurra (2001)) para dizer que o efeito Casimir é um força conservadora e, portanto, embora tal motor possa explorar a força Casimir para trabalho útil, não pode produzir mais energia de saída do que a que foi inserida no sistema.

Em 2008, a DARPA solicitou propostas de pesquisa na área de Casimir Effect Enhancement (CEE). O objetivo do programa é desenvolver novos métodos para controlar e manipular as forças de atração e repulsão em superfícies com base na engenharia da força de Casimir.

Uma patente de 2008 por Haisch e Moddel detalha um dispositivo que é capaz de extrair energia de flutuações de ponto zero usando um gás que circula por uma cavidade de Casimir. Conforme os átomos de gás circulam pelo sistema, eles entram na cavidade. Ao entrar, os elétrons giram para baixo para liberar energia por meio de radiação eletromagnética. Essa radiação é então extraída por um absorvedor. Ao sair da cavidade, as flutuações do vácuo ambiente (isto é, o campo do ponto zero) transmitem energia aos elétrons para retornar os orbitais aos níveis de energia anteriores, conforme previsto por Senitzky (1960). O gás então passa por uma bomba e flui pelo sistema novamente. Um teste publicado deste conceito pela Moddel foi realizado em 2012 e parecia fornecer energia em excesso que não poderia ser atribuída a outra fonte. No entanto, não foi demonstrado de forma conclusiva que seja da energia do ponto zero e a teoria requer uma investigação mais aprofundada.

Banhos de calor individuais

Em 1951, Callen e Welton provaram o teorema da flutuação-dissipação quântica (FDT) que foi originalmente formulado na forma clássica por Nyquist (1928) como uma explicação para o ruído de Johnson observado em circuitos elétricos. O teorema da flutuação-dissipação mostrou que quando algo dissipa energia, de forma efetivamente irreversível, um banho de calor conectado também deve flutuar. As flutuações e a dissipação andam de mãos dadas; é impossível ter um sem o outro. A implicação do FDT é que o vácuo pode ser tratado como um banho de calor acoplado a uma força dissipativa e, como tal, a energia pode, em parte, ser extraída do vácuo para um trabalho potencialmente útil. Tal teoria encontrou resistência: Macdonald (1962) e Harris (1971) afirmaram que extrair energia da energia do ponto zero era impossível, então FDT não poderia ser verdade. Grau e Kleen (1982) e Kleen (1986), argumentaram que o ruído de Johnson de um resistor conectado a uma antena deve satisfazer a fórmula de radiação térmica de Planck, portanto o ruído deve ser zero na temperatura zero e o FDT deve ser inválido. Kiss (1988) apontou que a existência do termo de ponto zero pode indicar que há um problema de renormalização - ou seja, um artefato matemático - produzindo um termo não físico que não está realmente presente nas medições (em analogia com problemas de renormalização de estados fundamentais em eletrodinâmica quântica). Posteriormente, Abbott et al. (1996) chegaram a uma conclusão diferente, mas pouco clara, de que "a energia do ponto zero é infinita, portanto, deve ser renormalizada, mas não as 'flutuações do ponto zero'". Apesar dessas críticas, o FDT demonstrou ser verdadeiro experimentalmente sob certas condições quânticas não clássicas. Flutuações de ponto zero podem, e contribuem, para sistemas que dissipam energia. Um artigo de Armen Allahverdyan e Theo Nieuwenhuizen em 2000 mostrou a viabilidade de extrair energia do ponto zero para trabalho útil de um único banho, sem contradizer as leis da termodinâmica , explorando certas propriedades da mecânica quântica.

Tem havido um número crescente de artigos mostrando que, em alguns casos, as leis clássicas da termodinâmica, como os limites da eficiência de Carnot, podem ser violadas explorando a entropia negativa das flutuações quânticas.

Apesar dos esforços para reconciliar a mecânica quântica e a termodinâmica ao longo dos anos, sua compatibilidade ainda é um problema fundamental em aberto. A extensão total que as propriedades quânticas podem alterar os limites termodinâmicos clássicos é desconhecida

Viagem espacial e proteção gravitacional

O uso de energia de ponto zero para viagens espaciais é especulativo e não faz parte do consenso científico dominante. Uma teoria quântica completa da gravitação (que lidaria com o papel dos fenômenos quânticos como a energia do ponto zero) ainda não existe. Artigos especulativos explicando uma relação entre a energia do ponto zero e os efeitos da proteção gravitacional foram propostos, mas a interação (se houver) ainda não foi totalmente compreendida. A maioria das pesquisas científicas sérias nesta área depende das propriedades antigravitacionais teorizadas da antimatéria (atualmente em teste no experimento alfa do CERN ) e / ou dos efeitos de forças não newtonianas, como o campo gravitomagnético sob condições quânticas específicas. Segundo a teoria geral da relatividade , a matéria em rotação pode gerar uma nova força da natureza, conhecida como interação gravitomagnética, cuja intensidade é proporcional à taxa de spin. Em certas condições, o campo gravitomagnético pode ser repulsivo. Em estrelas de nêutrons, por exemplo, pode produzir um análogo gravitacional do efeito Meissner , mas teoriza-se que a força produzida em tal exemplo é extremamente fraca.

Em 1963, Robert Forward , um físico e engenheiro aeroespacial do Hughes Research Laboratories , publicou um artigo mostrando como, dentro da estrutura da relatividade geral, os efeitos "antigravitacionais" poderiam ser alcançados. Uma vez que todos os átomos têm spin , a permeabilidade gravitacional pode ser capaz de diferir de material para material. Um forte campo gravitacional toroidal que age contra a força da gravidade pode ser gerado por materiais que possuem propriedades não lineares que aumentam os campos gravitacionais variáveis ​​no tempo. Tal efeito seria análogo à permeabilidade eletromagnética não linear do ferro, tornando-o um núcleo eficaz (ou seja, o donut de ferro) em um transformador, cujas propriedades dependem da permeabilidade magnética. Em 1966, Dewitt foi o primeiro a identificar a importância dos efeitos gravitacionais em supercondutores. Dewitt demonstrou que um campo gravitacional do tipo magnético deve resultar na presença de quantização fluxóide . Em 1983, o trabalho de Dewitt foi substancialmente expandido por Ross.

De 1971 a 1974, Henry William Wallace, um cientista da GE Aerospace, recebeu três patentes. Wallace usou a teoria de Dewitt para desenvolver um aparato experimental para gerar e detectar um campo gravitacional secundário, que ele chamou de campo cinemássico (agora mais conhecido como campo gravitomagnético ). Em suas três patentes, Wallace descreve três métodos diferentes usados ​​para a detecção do campo gravitomagnético - mudança no movimento de um corpo em um pivô, detecção de uma tensão transversal em um cristal semicondutor e uma mudança no calor específico de um material de cristal tendo núcleos alinhados por spin. Não há testes independentes disponíveis publicamente verificando os dispositivos de Wallace. Esse efeito, se houver, seria pequeno. Referindo-se às patentes de Wallace, um artigo da New Scientist em 1980 afirmava "Embora as patentes de Wallace tenham sido inicialmente ignoradas como irritantes, os observadores acreditam que sua invenção está agora sob investigação séria, mas secreta, pelas autoridades militares dos EUA. Os militares agora podem lamentar que o patentes já foram concedidas e, portanto, estão disponíveis para qualquer pessoa ler. " Outra referência às patentes de Wallace ocorre em um estudo de propulsão elétrica preparado para o Laboratório de Astronáutica da Base da Força Aérea de Edwards, que afirma: "As patentes são escritas em um estilo muito crível que inclui números de peça, fontes para alguns componentes e diagramas de dados. Foram feitas tentativas de entrar em contato com Wallace usando endereços de patentes e outras fontes, mas ele não foi localizado e não há vestígios do que aconteceu com seu trabalho. O conceito pode ser justificado por motivos relativísticos gerais, uma vez que se espera que campos variáveis ​​de tempo rotativos emitam ondas gravitacionais. "

Em 1986, a Força Aérea dos EUA 's foguete então Propulsion Laboratory (RPL) na Edwards Air Force Base solicitado 'Conceitos de propulsão Não Convencional' sob um pequeno programa de pesquisa de negócios e inovação. Uma das seis áreas de interesse era "Fontes de energia esotérica para propulsão, incluindo a energia dinâmica quântica do espaço de vácuo ..." No mesmo ano, a BAE Systems lançou o "Projeto Greenglow" para fornecer um "foco para pesquisa em novos sistemas de propulsão e os meios para alimentá-los ".

Em 1988, Kip Thorne et al. publicou um trabalho que mostra como buracos de minhoca percorríveis podem existir no espaço-tempo apenas se forem encadeados por campos quânticos gerados por alguma forma de matéria exótica com energia negativa . Em 1993, Scharnhorst e Barton mostraram que a velocidade de um fóton aumentaria se ele viajar entre duas placas de Casimir, um exemplo de energia negativa. No sentido mais geral, a matéria exótica necessária para criar buracos de minhoca compartilharia as propriedades repulsivas da energia inflacionária , energia escura ou radiação de ponto zero do vácuo. Com base no trabalho de Thorne, em 1994 Miguel Alcubierre propôs um método para alterar a geometria do espaço criando uma onda que faria com que o tecido do espaço à frente de uma espaçonave se contraísse e o espaço por trás dele se expandisse (ver drive de Alcubierre ). A nave, então, pegaria essa onda dentro de uma região do espaço plano, conhecida como bolha de dobra, e não se moveria dentro dessa bolha, mas seria carregada conforme a própria região se movesse devido às ações do drive.

Em 1992, Evgeny Podkletnov publicou um artigo de jornal muito debatido, alegando que um tipo específico de supercondutor giratório poderia proteger a força gravitacional. Independentemente disso, de 1991 a 1993, Ning Li e Douglas Torr publicaram uma série de artigos sobre os efeitos gravitacionais em supercondutores. Uma descoberta que eles derivaram é que a fonte de fluxo gravitomagnético em um material supercondutor tipo II é devido ao alinhamento do spin dos íons da rede. Citando seu terceiro artigo: "É mostrado que o alinhamento coerente de spins de íons de rede irá gerar um campo gravitomagnético detectável e, na presença de um campo potencial vetorial magnético aplicado dependente do tempo, um campo gravitoelétrico detectável." O tamanho reivindicado da força gerada foi contestado por alguns, mas defendido por outros. Em 1997, Li publicou um artigo tentando replicar os resultados de Podkletnov e mostrou que o efeito era muito pequeno, se é que existia. Li teria deixado a Universidade do Alabama em 1999 para fundar a empresa AC Gravity LLC . AC Gravity recebeu um subsídio do Departamento de Defesa dos EUA de $ 448.970 em 2001 para continuar a pesquisa antigravidade. O período da bolsa terminou em 2002, mas nenhum resultado desta pesquisa foi tornado público.

Em 2002, a Phantom Works , instalação avançada de pesquisa e desenvolvimento da Boeing em Seattle , abordou Evgeny Podkletnov diretamente. O Phantom Works foi bloqueado pelos controles de transferência de tecnologia russos. Nessa época, o tenente-general George Muellner, chefe cessante da Boeing Phantom Works, confirmou que as tentativas da Boeing de trabalhar com Podkletnov foram bloqueadas por Moscou, também comentando que "Os princípios físicos - e o dispositivo de Podkletnov não é o único - aparecem para ser válido ... Há ciência básica aí. Eles não estão quebrando as leis da física. A questão é se a ciência pode ser transformada em algo viável "

Froning e Roach (2002) apresentaram um artigo que se baseia no trabalho de Puthoff, Haisch e Alcubierre. Eles usaram simulações de dinâmica de fluidos para modelar a interação de um veículo (como a proposta por Alcubierre) com o campo de ponto zero. As perturbações de campo de vácuo são simuladas por perturbações de campo de fluido e a resistência aerodinâmica do arrasto viscoso exercido no interior do veículo é comparada à força de Lorentz exercida pelo campo de ponto zero (uma força semelhante a de Casimir é exercida no exterior por zero desequilibrado - pressões de radiação pontuais). Eles descobriram que a energia negativa otimizada necessária para uma unidade de Alcubierre é aquela em que ele é um veículo em forma de disco com campos eletromagnéticos toroidais . Os campos EM distorcem as perturbações do campo de vácuo em torno da nave o suficiente para afetar a permeabilidade e a permissividade do espaço.

Em 2014 NASA 's Eagleworks Laboratories anunciou que tinham validado com sucesso o uso de um vácuo quântico Plasma Thruster que faz uso do efeito Casimir para a propulsão. Em 2016, um artigo científico da equipe de cientistas da NASA foi aprovado na revisão por pares pela primeira vez. O artigo sugere que o campo de ponto zero atua como uma onda-piloto e que o impulso pode ser devido a partículas empurrando o vácuo quântico. Embora a revisão por pares não garanta que uma descoberta ou observação seja válida, ela indica que cientistas independentes examinaram a configuração experimental, os resultados e a interpretação e que não encontraram erros óbvios na metodologia e que consideraram os resultados razoáveis . No artigo, os autores identificam e discutem nove fontes potenciais de erros experimentais, incluindo correntes de ar nocivas, radiação eletromagnética com vazamento e interações magnéticas. Nem todos eles poderiam ser completamente descartados, e mais experimentação revisada por pares é necessária para descartar esses erros em potencial.

Veja também

Referências

Notas

Artigos na imprensa

Bibliografia

Leitura adicional

Artigos de imprensa

artigos de jornal

Livros

links externos