科學家研究證明:能量為負的量子真空狀態允許存在

科學家研究證明:能量為負的量子真空狀態允許存在

科學家證實量子真空存在的可能性

能量是必須始終為正的量,至少這是我們的直覺告訴我們的。如果將每個單個粒子從某個物質中移除,直到沒有任何可能攜帶能量的粒子,那麼就達到了我們認識的能量極限。

還能繼續嗎?即使從真空中提取能量仍然有可能嗎?量子物理學一次又一次表明它與我們的直覺相矛盾,在這種情況下也是如此。在某些條件下,至少在一定的空間和時間範圍內,允許負能量的存在。

奧地利維也納工業大學,比利時布魯塞爾自由大學和印度理工學院坎普爾分院的國際研究團隊現已研究了負能量的可能性。

事實證明,無論考慮哪種量子理論,無論假定宇宙中保持什麼對稱性,“借入”能量總是存在一定的限制。能量可以小於零,但是就像從銀行借來的錢一樣,這種能量最後必須“還清”。

排斥引力

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質能等價公式

維也納TU理論物理研究所的丹尼爾·格魯米勒(Daniel Grumiller)教授說:“在廣義相對論中,我們通常假設宇宙中任何時候,任何地方的能量都大於零。” 這對引力有非常重要的影響:能量通過質能等價公式E =mc²(E代表能量,m代表質量,c是物理學中代表光速的常數)與質量關聯。因此,負能量也將意味著負質量。正質量相互吸引,但是負質量會導致引力突然變成排斥力。

但是,量子理論允許負能量的存在。格魯米勒教授說:“根據量子物理學,可以從某個位置的真空借來能量,就像從銀行借錢一樣。很長一段時間以來,我們不清楚關於這種能源信用的最大金額和必須支付的可能的利率。關於這種“利息”(專業術語稱為“量子利息”)的各種假設都已出現,但物理學界尚未達成最終的認識。

“量子零能量條件”(QNEC)於2017年被證明,它通過將相對論和量子物理學聯繫起來,對能量的“借用”規定了一定的限制:允許小於零的能量,但僅在一定範圍,並且僅在一定時間內存在。

在耗盡能量信用額度之前可以從真空中借入多少能量取決於量子物理量,即所謂的糾纏熵。

簡單來說,一個由A部分和B部分組成的量子力學的系統,A與B之間可能存在某種遠距離的相關性,即使A與B之間並不存在交互作用力,這種關聯仍然存在,而且A部分和B部分的空間距離可以很遠,這種概念稱為糾纏。糾纏的強弱程度常利用糾纏熵來定量分析。

格魯米勒教授表示:“從某種意義上說,糾纏熵是對系統行為受量子物理學支配的有力度量。如果量子糾纏在空間中的某個位置(例如靠近黑洞的邊緣)起著至關重要的作用,那麼負能量流可能會在一定時間內發生,並且在該區域中可能會產生負能量。”

格魯米勒教授與馬克斯·裡格勒(Max Riegler)和普拉斯蒂亞·帕雷克(Pulastya Parekh)一起進行這些特殊計算。裡格勒在維也納工業大學的格魯米勒研究小組中完成了他的論文,現在是哈佛博士後。來自印度理工學院坎普爾分院的帕雷克是埃爾溫·薛定諤研究所和維也納大學的客座研究員。

格魯米勒說:“以前所有的考慮都一直參照遵循狹義相對論對稱性的量子理論。但是,我們現在已經能夠證明負能量與量子糾纏之間的聯繫是一個更為普遍的現象。”

明顯禁止從真空中提取無限能量的能量條件對於非常不同的量子理論都是有效的,而不管對稱性如何。

不違反能量守恆定律

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能量守恆不能被超越

格魯米勒教授強調說:“自然在某個地方的特定時間段內允許能量小於零的事實並不意味著違反了能量守恆定律。為了在某個位置實現負能量流,必須在緊鄰位置補償正能量流。”

現在,新的研究結果對負能量設置了嚴格的界限,從而將其與量子力學的典型性質聯繫在一起。


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