Energía de vacío - Vacuum energy

Parte de una serie de artículos sobre
Mecánica cuántica
${\ Displaystyle i \ hbar {\ frac {\ parcial} {\ parcial t}} | \ psi (t) \ rangle = {\ hat {H}} | \ psi (t) \ rangle}$ Ecuación de Schrödinger
Introducción Glosario Historia
Fondo Mecanica clasica Teoría cuántica antigua Notación bra-ket Hamiltoniano Interferencia
Fundamentos Complementariedad Decoherencia Entrelazamiento Nivel de energía Medición No localidad Número cuántico Estado Superposición Simetría Tunelización Incertidumbre Función de onda  ( colapso )
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Formulaciones Visión general Heisenberg Interacción Matriz Espacio de fase Schrödinger Sumas sobre historias (integral de ruta)
Ecuaciones Dirac Klein – Gordon Pauli Rydberg Schrödinger
Interpretaciones Visión general Bayesiano Historias consistentes Copenhague de Broglie – Bohm Conjunto Variable oculta Muchos-mundos Colapso objetivo Lógica cuántica Relacional Transaccional
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La energía del vacío es una energía de fondo subyacente que existe en el espacio en todo el Universo . La energía del vacío es un caso especial de energía de punto cero que se relaciona con el vacío cuántico .

Los efectos de la energía del vacío se pueden observar experimentalmente en varios fenómenos como la emisión espontánea , el efecto Casimir y el cambio de Lamb , y se cree que influyen en el comportamiento del Universo a escalas cosmológicas . Utilizando el límite superior de la constante cosmológica , se ha estimado que la energía del vacío del espacio libre es de 10 ⁻⁹ julios (10 ⁻² ergios ), o ~ 5 GeV por metro cúbico. Sin embargo, en electrodinámica cuántica , la coherencia con el principio de covarianza de Lorentz y con la magnitud de la constante de Planck sugiere un valor mucho mayor de 10 ¹¹³ julios por metro cúbico. Esta enorme discrepancia se conoce como el problema de la constante cosmológica .

Origen

La teoría cuántica de campos establece que todos los campos fundamentales , como el campo electromagnético , deben cuantificarse en todos y cada uno de los puntos del espacio. Un campo de la física puede concebirse como si el espacio estuviera lleno de bolas y resortes vibrantes interconectados, y la fuerza del campo es como el desplazamiento de una bola desde su posición de reposo. La teoría requiere "vibraciones" o cambios más precisos en la fuerza de dicho campo para que se propague según la ecuación de onda apropiada para el campo particular en cuestión. La segunda cuantificación de la teoría cuántica de campos requiere que se cuantifique cada combinación de resorte y bola, es decir, que la intensidad del campo se cuantifique en cada punto del espacio. Canónicamente, si el campo en cada punto del espacio es un oscilador armónico simple , su cuantificación coloca un oscilador armónico cuántico en cada punto. Las excitaciones del campo corresponden a las partículas elementales de la física de partículas . Por lo tanto, según la teoría, incluso el vacío tiene una estructura enormemente compleja y todos los cálculos de la teoría cuántica de campos deben realizarse en relación con este modelo del vacío.

La teoría considera que el vacío tiene implícitamente las mismas propiedades que una partícula, como el giro o la polarización en el caso de la luz , la energía, etc. Según la teoría, la mayoría de estas propiedades se anulan en promedio dejando el vacío vacío en el sentido literal de la palabra. Sin embargo, una excepción importante es la energía de vacío o el valor esperado de vacío de la energía. La cuantificación de un oscilador armónico simple requiere la menor energía posible, o la energía de punto cero de dicho oscilador para ser

${\ Displaystyle {E} = {\ frac {1} {2}} h \ nu.}$

La suma de todos los osciladores posibles en todos los puntos del espacio da una cantidad infinita. Para eliminar este infinito, se puede argumentar que solo las diferencias de energía son físicamente mensurables, por mucho que el concepto de energía potencial se haya tratado en la mecánica clásica durante siglos. Este argumento es la base de la teoría de la renormalización . En todos los cálculos prácticos, así es como se maneja el infinito.

La energía del vacío también se puede pensar en términos de partículas virtuales (también conocidas como fluctuaciones del vacío) que se crean y destruyen a partir del vacío. Estas partículas siempre se crean a partir del vacío en pares de partículas y antipartículas , que en la mayoría de los casos se aniquilan entre sí y desaparecen en breve. Sin embargo, estas partículas y antipartículas pueden interactuar con otras antes de desaparecer, un proceso que se puede mapear utilizando diagramas de Feynman . Tenga en cuenta que este método de calcular la energía del vacío es matemáticamente equivalente a tener un oscilador armónico cuántico en cada punto y, por lo tanto, sufre los mismos problemas de renormalización.

Contribuciones adicionales a la energía del vacío provienen de la ruptura espontánea de la simetría en la teoría cuántica de campos .

Trascendencia

La energía de vacío tiene varias consecuencias. En 1948, los físicos holandeses Hendrik BG Casimir y Dirk Polder predijeron la existencia de una pequeña fuerza de atracción entre placas de metal colocadas de cerca debido a resonancias en la energía del vacío en el espacio entre ellas. Esto ahora se conoce como el efecto Casimir y desde entonces se ha verificado de forma experimental exhaustiva. Por tanto, se cree que la energía del vacío es "real" en el mismo sentido que los objetos conceptuales más familiares, como los electrones, los campos magnéticos, etc., son reales. Sin embargo, desde entonces se han propuesto explicaciones alternativas para el efecto Casimir.

Otras predicciones son más difíciles de verificar. Las fluctuaciones de vacío siempre se crean como pares partícula-antipartícula. El físico Stephen Hawking ha planteado la hipótesis de que la creación de estas partículas virtuales cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro es un mecanismo para la eventual "evaporación" de los agujeros negros . Si uno de los pares es empujado hacia el agujero negro antes de esto, entonces la otra partícula se vuelve "real" y la energía / masa es esencialmente irradiada al espacio desde el agujero negro. Esta pérdida es acumulativa y podría resultar en la desaparición del agujero negro con el tiempo. El tiempo requerido depende de la masa del agujero negro (las ecuaciones indican que cuanto más pequeño es el agujero negro, más rápidamente se evapora), pero podría ser del orden de 10 ¹⁰⁰ años para los agujeros negros de gran masa solar.

La energía del vacío también tiene importantes consecuencias para la cosmología física . La relatividad general predice que la energía es equivalente a la masa y, por lo tanto, si la energía del vacío está "realmente ahí", debería ejercer una fuerza gravitacional . Esencialmente, se espera que una energía de vacío distinta de cero contribuya a la constante cosmológica , que afecta la expansión del universo . En el caso especial de la energía del vacío, la relatividad general estipula que el campo gravitacional es proporcional a ρ + 3 p (donde ρ es la densidad masa-energía yp es la presión). La teoría cuántica del vacío estipula además que la presión de la energía del vacío en estado cero es siempre negativa e igual en magnitud a ρ . Por lo tanto, el total es ρ + 3 p = ρ - 3 ρ = −2 ρ , un valor negativo. Si de hecho el estado fundamental del vacío tiene una energía distinta de cero, el cálculo implica un campo gravitacional repulsivo, que da lugar a la aceleración de la expansión del universo . Sin embargo, la energía del vacío es matemáticamente infinita sin renormalización , lo que se basa en la suposición de que solo podemos medir la energía en un sentido relativo, lo que no es cierto si podemos observarla indirectamente a través de la constante cosmológica .

La existencia de energía del vacío también se utiliza a veces como justificación teórica de la posibilidad de máquinas de energía libre. Se ha argumentado que debido a la simetría rota (en QED), la energía libre no viola la conservación de la energía, ya que las leyes de la termodinámica solo se aplican a los sistemas de equilibrio. Sin embargo, el consenso entre los físicos es que esto se desconoce ya que la naturaleza de la energía del vacío sigue siendo un problema sin resolver. En particular, la segunda ley de la termodinámica no se ve afectada por la existencia de energía del vacío.

Historia

En 1934, Georges Lemaître utilizó una ecuación de estado de fluido perfecto inusual para interpretar la constante cosmológica como debida a la energía del vacío. En 1948, el efecto Casimir proporcionó un método experimental para verificar la existencia de energía del vacío; en 1955, sin embargo, Evgeny Lifshitz ofreció un origen diferente para el efecto Casimir. En 1957, Lee y Yang probaron los conceptos de simetría rota y violación de la paridad , por lo que ganaron el premio Nobel. En 1973, Edward Tryon propuso la hipótesis del universo de energía cero : que el Universo puede ser una fluctuación de vacío mecánica cuántica a gran escala donde la energía de masa positiva se equilibra con la energía potencial gravitacional negativa . Durante la década de 1980, hubo muchos intentos de relacionar los campos que generan la energía del vacío con campos específicos que fueron predichos por los intentos de una teoría de la Gran unificación y de usar observaciones del Universo para confirmar una u otra versión. Sin embargo, la naturaleza exacta de las partículas (o campos) que generan la energía del vacío, con una densidad como la que exige la teoría de la inflación, sigue siendo un misterio.

Energía de vacío en la ficción

• La novela de Arthur C. Clarke The Songs of Distant Earth presenta una nave espacial impulsada por un "impulso cuántico" basado en aspectos de esta teoría.
• En la serie de televisión de ciencia ficción Stargate Atlantis , el Zero Point Module (ZPM) es una fuente de energía que extrae la energía del vacío de un micro universo paralelo .
• El libro Star Trek: Deep Space Nine Technical Manual describe el principio operativo del llamado torpedo cuántico . En esta arma ficticia, se utiliza una reacción de antimateria para crear una membrana multidimensional en el vacío que libera en su descomposición más energía de la necesaria para producirla. La energía faltante se elimina del vacío. Por lo general, se libera aproximadamente el doble de energía en la explosión, de lo que correspondería a la aniquilación inicial de materia de antimateria.

Ver también

• Energía oscura
• Falso vacío
• Estado de vacío
• Campo de punto cero
• Orden normal

Referencias

Artículos y referencias externas

• Copia gratuita en PDF de El vacío estructurado - sin pensar en nada por Johann Rafelski y Berndt Muller (1985); ISBN  3-87144-889-3 .
• Saunders, S. y Brown, HR (1991). La filosofía del vacío . Oxford [Inglaterra]: Clarendon Press.
• Seminario de Poincaré, Duplantier, B. y Rivasseau, V. (2003). "Seminario de Poincaré 2002: renormalización de la energía del vacío". Progreso en física matemática , v. 30. Basilea: Birkhäuser Verlag.
• Futamase & Yoshida Posible medición de la energía del vacío
• Study of Vacuum Energy Physics for Breakthrough Propulsion 2004, Servidor de informes técnicos Glenn de la NASA, (pdf, 57 páginas, consultado el 18 de septiembre de 2013).