 | Эта статья может быть слишком технической для понимания большинством читателей . ( Июнь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Отрицательная энергия - это понятие, используемое в физике для объяснения природы определенных полей , включая гравитационное поле и различные эффекты квантового поля .
В более умозрительных теориях отрицательная энергия участвует в путешествиях во времени в прошлое [1], создании искусственных червоточин , которые также могут позволить путешествия во времени , трубки Красникова , привод Алькубьерре и, возможно, другие типы варп-двигателей для более быстрых, чем - легкие космические путешествия.
Гравитационная потенциальная энергия [ править ]
Положительное гравитационное притяжение между двумя массивными объектами сопровождается отрицательным количеством гравитационной потенциальной энергии в поле, которое их привлекает. Когда расстояние между ними приближается к бесконечности, гравитационное притяжение приближается к нулю с положительной стороны линии действительных чисел, а гравитационная потенциальная энергия приближается к нулю с отрицательной стороны. Следовательно, когда два массивных объекта движутся навстречу друг другу, движение ускоряется под действием силы тяжести, вызывая увеличение (положительной) кинетической энергии системы и увеличение на ту же величину (отрицательной) потенциальной энергии гравитации. Это потому, что закон сохранения энергиитребует, чтобы чистая энергия системы не изменилась. Гравитационная энергия связи - это разновидность потенциальной энергии. [ требуется разъяснение ] [2]
Вселенная , в которой положительные преобладает энергия в конце концов рухнет в « Big Crunch », в то время как «открытая» Вселенная , в которой отрицательные доминирует энергия будет либо неограниченно расширяться или в конечном счете , распадаются в « большим расколом ». В модели Вселенной с нулевой энергией («плоской» или «евклидовой») общее количество энергии во Вселенной равно нулю : количество положительной энергии в ней в форме материи в точности компенсируется ее отрицательной энергией в форме от тяжести . [3] (Неясно, какая из этих моделей точно описывает реальную Вселенную, если таковая имеется.)
Квантовые полевые эффекты [ править ]
Отрицательные энергии и отрицательная плотность энергии согласуются с квантовой теорией поля . [4]
Виртуальные частицы [ править ]
В квантовой теории принцип неопределенности позволяет заполнить вакуум пространства виртуальными парами частица-античастица, которые возникают спонтанно и существуют только короткое время, прежде чем, как правило, снова аннигилируют. Некоторые из этих виртуальных частиц могут иметь отрицательную энергию. Их поведение играет роль в нескольких важных явлениях, как описано ниже.
Эффект Казимира [ править ]
В эффекте Казимира две плоские пластины, расположенные очень близко друг к другу, ограничивают длины волн квантов, которые могут существовать между ними. Это, в свою очередь, ограничивает типы и, следовательно, количество и плотность пар виртуальных частиц, которые могут образовываться в промежуточном вакууме и могут привести к отрицательной плотности энергии. Это вызывает силу притяжения между пластинами, которая была измерена. [5]
Сжатый свет [ править ]
Можно организовать несколько лучей лазерного света так, чтобы деструктивная квантовая интерференция подавляла флуктуации вакуума . Такое сжатое вакуумное состояние связано с отрицательной энергией. Повторяющаяся форма волны света приводит к чередованию областей положительной и отрицательной энергии. [5]
Море Дирака [ править ]
Согласно теории моря Дирака , разработанной Полем Дираком в 1930 году, космический вакуум наполнен отрицательной энергией. Эта теория была разработана для объяснения аномалии квантовых состояний с отрицательной энергией, предсказываемой уравнением Дирака .
Теория моря Дирака правильно предсказала существование антивещества за два года до открытия позитрона в 1932 году Карлом Андерсоном . Однако теория моря Дирака рассматривает антивещество как дыру в отсутствии частицы, а не как настоящую частицу. Квантовая теория поля (КТП), разработанная в 1930-х годах, рассматривает антивещество таким образом, что оно рассматривает антивещество как состоящее из реальных частиц, а не как отсутствие частиц, и рассматривает вакуум как свободный от частиц, а не как полный частицы с отрицательной энергией. как в теории моря Дирака.
Квантовая теория поля вытеснила теорию моря Дирака как более популярное объяснение этих аспектов физики. И теория моря Дирака, и квантовая теория поля эквивалентны посредством преобразования Боголюбова , поэтому море Дирака можно рассматривать как альтернативную формулировку квантовой теории поля и, таким образом, согласовывать с ней. [6]
Явления квантовой гравитации [ править ]
Сильные гравитационные поля вокруг черных дыр создают явления, которые приписываются как гравитационным, так и квантовым эффектам. В этих ситуациях вектор Киллинга частицы может быть повернут так, что ее энергия станет отрицательной. [7]
Радиация Хокинга [ править ]
Виртуальные частицы могут существовать недолго. Когда пара таких частиц появляется рядом с горизонтом событий черной дыры, одна из них может втянуться внутрь. Это поворачивает ее вектор Киллинга, так что ее энергия становится отрицательной, и у пары нет чистой энергии. Это позволяет им стать реальными, и положительная частица улетучивается в виде излучения Хокинга , в то время как частица с отрицательной энергией уменьшает чистую энергию черной дыры. Таким образом, черная дыра может медленно испаряться. [8] [9]
Эргосфера черной дыры и квазары [ править ]
Для вращающейся черной дыры вращение создает эргосферу за пределами горизонта событий. Поскольку эргосфера находится за пределами горизонта событий, частицы могут улетать из нее. Внутри эргосферы вектор Киллинга частицы может вращаться, чтобы придать ей отрицательную энергию. Затем частица с отрицательной энергией пересекает горизонт событий и попадает в черную дыру, согласно закону сохранения энергии, требующему, чтобы равное количество положительной энергии уходило. Считается, что именно так генерируется интенсивное излучение квазаров . [10]
Спекулятивные предложения [ править ]
Червоточины [ править ]
Отрицательная энергия появляется в умозрительной теории червоточин , где она необходима, чтобы держать червоточину открытой. Червоточина напрямую соединяет два места, которые могут быть разделены произвольно далеко друг от друга как в пространстве, так и во времени, и в принципе позволяет почти мгновенно перемещаться между ними. Однако физики, такие как Роджер Пенроуз, считают такие идеи нереалистичными, больше выдумкой, чем домыслами. [11]
Варп-двигатель [ править ]
Был предложен теоретический принцип сверхсветовой ( сверхсветовой ) варп-двигателя для космических кораблей, использующий отрицательную энергию. Привод Alcubierre включает решение уравнений Эйнштейна общей теории относительности , в которой пузырек пространства - времени быстро перемещаемых расширения пространства позади нее и сокращение пространства перед ним. [5]
См. Также [ править ]
- Антивещество
- Темная энергия
- Темная материя
- Экзотическая материя
- Отрицательная масса
- Давление § Отрицательное давление
Ссылки [ править ]
Встроенные заметки [ править ]
- ^ Кханна, Gaurav (2019-01-28). «Путешествие во времени возможно, но только если у вас есть объект бесконечной массы» . Разговор . Проверено 11 декабря 2020 .
- ^ Алан Гут Инфляционная вселенная: поиски новой теории космического происхождения (1997), Random House, ISBN 0-224-04448-6 Приложение A: Гравитационная энергия демонстрирует отрицательность гравитационной энергии.
- ^ Стивен Хокинг; Великий замысел , 2010, стр.180.
- ^ Эверетт, Аллен; Роман, Томас (2012). Путешествие во времени и варп-двигатели . Издательство Чикагского университета . п. 167 . ISBN 978-0-226-22498-5.
- ^ а б в Форд и Роман 2000
- ↑ Лопес де Рекальде, Андреа (2017). Стандартная электро-слабая теория, 2-е издание . Моррисвилл, Северная Каролина: LuLu Press, Inc., стр. 65. ISBN 978-1-365-65887-7.
- ^ Пенроуз 2005, стр. 833-4, 836-7
- ^ Стивен Хокинг; Краткая история времени , Bantam 1988, страницы 105-107. ISBN 0-593-01518-5
- ^ Пенроуз 2005, стр. 836-7
- ^ Пенроуз 2005, стр. 836-9
- ^ Пенроуз 2005, pp.833-4. «... (на мой взгляд, ошибочное) намерение показать, что какая-то научно-фантастическая« червоточина »путешествует между вселенными ...»
Библиография [ править ]
- Лоуренс Х. Форд и Томас А. Роман; «Отрицательная энергия, червоточины и варп-драйв», Scientific American, январь 2000 г. , стр. 282 , стр. 46–53.
- Роджер Пенроуз; Дорога к реальности , ppbk, Vintage, 2005. Глава 30: Роль гравитации в редукции квантовых состояний.
