Năng lượng chân không

Năng lượng chân không là một năng lượng nền cơ bản tồn tại trong không gian trong suốt toàn bộ vũ trụ.^[1] Hành vi của nó được tiêu chuẩn hóa theo nguyên tắc bất định thời gian năng lượng của Heisenberg. Tuy nhiên, hiệu quả chính xác của các dạng năng lượng thoáng qua như vậy rất khó để định lượng. Năng lượng chân không là trường hợp đặc biệt của năng lượng điểm không liên quan đến chân không lượng tử.^[2]

Ảnh hưởng của năng lượng chân không có thể được quan sát bằng thực nghiệm trong các hiện tượng khác nhau như phát xạ tự phát, hiệu ứng Casimir và dịch chuyển Lamb và được cho là ảnh hưởng đến hành vi của Vũ trụ trên quy mô vũ trụ. Sử dụng giới hạn trên của hằng số vũ trụ, năng lượng chân không của không gian trống đã được ước tính là 10 ⁻⁹ joules (10 ⁻² erg) cho mỗi mét khối.^[3] Tuy nhiên, trong cả điện động lực học lượng tử (QED) và điện động lực học ngẫu nhiên (SED), tính nhất quán với nguyên lý hiệp phương Lorentz và với cường độ của hằng số Planck cho thấy giá trị lớn hơn nhiều là 10¹¹³ joules trên một mét khối.^[4][5] Sự khác biệt lớn này được gọi là vấn đề hằng số vũ trụ.

Nguồn gốc

Lý thuyết trường lượng tử nói rằng tất cả các trường cơ bản, như trường điện từ, phải được lượng tử hóa tại mỗi điểm trong không gian ^{[cần dẫn nguồn]}. Một trường trong vật lý có thể được hình dung như thể không gian chứa đầy các quả bóng và lò xo rung liên kết với nhau, và sức mạnh của trường giống như sự dịch chuyển của một quả bóng từ vị trí nghỉ của nó. Lý thuyết đòi hỏi "sự rung động" trong, hoặc thay đổi chính xác hơn về cường độ của một trường như vậy để truyền theo phương trình sóng thích hợp cho trường cụ thể được đề cập. Lượng tử hóa thứ hai của lý thuyết trường lượng tử đòi hỏi mỗi tổ hợp lò xo bóng như vậy phải được lượng tử hóa, nghĩa là sức mạnh của trường được lượng tử hóa tại mỗi điểm trong không gian. Về mặt kỹ thuật, nếu trường tại mỗi điểm trong không gian là một dao động điều hòa đơn giản, thì lượng tử hóa của nó đặt một dao động điều hòa lượng tử ở mỗi điểm. Kích thích của trường tương ứng với các hạt cơ bản của vật lý hạt. Do đó, theo lý thuyết, ngay cả chân không cũng có cấu trúc cực kỳ phức tạp và tất cả các tính toán của lý thuyết trường lượng tử phải được thực hiện liên quan đến mô hình chân không này.

Lý thuyết coi chân không hoàn toàn có các tính chất giống như một hạt, chẳng hạn như spin hoặc phân cực trong trường hợp ánh sáng, năng lượng, v.v. Theo lý thuyết, hầu hết các tính chất này hủy bỏ trung bình để lại khoảng trống theo nghĩa đen của từ này. Tuy nhiên, một ngoại lệ quan trọng là năng lượng chân không hoặc giá trị kỳ vọng chân không của năng lượng. Việc lượng tử hóa một bộ dao động điều hòa đơn giản đòi hỏi năng lượng thấp nhất có thể, hoặc năng lượng điểm không của một bộ dao động như vậy là:

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

Tổng của tất cả các dao động có thể tại tất cả các điểm trong không gian cho một số lượng vô hạn. Để loại bỏ sự vô hạn này, người ta có thể lập luận rằng chỉ có sự khác biệt về năng lượng là có thể đo lường được, giống như khái niệm năng lượng tiềm năng đã được xử lý trong cơ học cổ điển trong nhiều thế kỷ. Lập luận này là nền tảng của lý thuyết tái chuẩn hóa. Trong tất cả các tính toán thực tế, đây là cách chúng ta xử lý vô cực.

Năng lượng chân không cũng có thể được xét đến dưới dạng các hạt ảo (còn được gọi là dao động chân không) được tạo ra và phá hủy khỏi chân không. Những hạt này luôn được tạo ra từ chân không trong các cặp phản hạt của hạt, trong hầu hết các trường hợp, chúng sẽ tiêu diệt lẫn nhau và biến mất trong thời gian ngắn. Tuy nhiên, các hạt và phản hạt này có thể tương tác với các hạt khác trước khi biến mất, một quá trình có thể được ánh xạ bằng sơ đồ Feynman. Lưu ý rằng phương pháp tính toán năng lượng chân không này tương đương về mặt toán học với việc có một bộ dao động điều hòa lượng tử tại mỗi điểm và do đó, chịu các vấn đề tái chuẩn hóa tương tự.

Đóng góp bổ sung cho năng lượng chân không đến từ sự phá vỡ đối xứng tự phát trong lý thuyết trường lượng tử.

Hàm ý

Năng lượng chân không có một số hệ quả. Năm 1948, các nhà vật lý người Hà Lan Hendrik BG Casimir và Dirk Polder dự đoán sự tồn tại của một lực hấp dẫn nhỏ giữa các tấm kim loại được đặt gần nhau do sự cộng hưởng trong năng lượng chân không trong không gian giữa chúng. Điều này hiện được gọi là hiệu ứng Casimir và từ đó đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Do đó, người ta tin rằng năng lượng chân không là "thực" theo nghĩa tương tự rằng các vật thể khái niệm quen thuộc hơn như điện tử, từ trường, v.v., là có thật. Tuy nhiên, giải thích thay thế cho hiệu ứng Casimir đã được đề xuất.^[6] Các dự đoán khác là khó để xác minh. Dao động chân không luôn được tạo ra như các cặp phản hạt. Việc tạo ra các hạt ảo này gần chân trời sự kiện của lỗ đen đã được nhà vật lý Stephen Hawking đưa ra giả thuyết là một cơ chế cho sự "bốc hơi" cuối cùng của các lỗ đen.^[7] Nếu một trong hai cặp bị kéo vào lỗ đen trước đó, thì hạt kia trở thành "thực" và năng lượng / khối lượng về cơ bản được tỏa vào không gian từ lỗ đen. Mất mát này được tích lũy và có thể dẫn đến sự biến mất của lỗ đen theo thời gian. Thời gian cần thiết phụ thuộc vào khối lượng của lỗ đen (các phương trình chỉ ra rằng lỗ đen càng nhỏ thì nó bay hơi càng nhanh) nhưng có thể theo thứ tự 10¹⁰⁰ năm đối với các lỗ đen khối lượng Mặt Trời lớn.^[7]

Năng lượng chân không cũng có những hậu quả quan trọng đối với vũ trụ học vật lý. Thuyết tương đối rộng dự đoán rằng năng lượng tương đương với khối lượng, và do đó, nếu năng lượng chân không "thực sự ở đó", thì nó sẽ tác dụng lực hấp dẫn. Về cơ bản, một năng lượng chân không khác không được dự kiến sẽ đóng góp vào hằng số vũ trụ, ảnh hưởng đến sự giãn nở của vũ trụ. Trong trường hợp đặc biệt của năng lượng chân không, thuyết tương đối rộng quy định rằng trường hấp dẫn tỷ lệ với ρ + 3p (trong đó ρ là mật độ năng lượng khối lượng và p là áp suất). Lý thuyết lượng tử của chân không quy định thêm rằng áp lực của năng lượng chân không trạng thái zero luôn luôn là âm và có độ lớn bằng ρ. Như vậy, tổng số là ρ + 3p = ρ − 3ρ = −2ρ, là một giá trị âm. Nếu thực sự trạng thái mặt đất chân không có năng lượng khác không, thì phép tính ngụ ý trường hấp dẫn với lực đẩy, làm tăng tốc độ giãn nở của vũ trụ. Tuy nhiên, năng lượng chân không là vô hạn về mặt toán học mà không cần tái chuẩn hóa, điều này dựa trên giả định rằng chúng ta chỉ có thể đo năng lượng theo nghĩa tương đối, điều này không đúng nếu chúng ta có thể quan sát nó một cách gián tiếp thông qua hằng số vũ trụ.  

Sự tồn tại của năng lượng chân không đôi khi cũng được sử dụng như là sự biện minh lý thuyết cho khả năng của các máy năng lượng tự do. Người ta đã lập luận rằng do sự đối xứng bị phá vỡ (trong QED), năng lượng tự do không vi phạm bảo tồn năng lượng, vì các định luật nhiệt động lực học chỉ áp dụng cho các hệ cân bằng. Tuy nhiên, sự đồng thuận giữa các nhà vật lý là điều này chưa được biết vì bản chất của năng lượng chân không vẫn là một vấn đề chưa được giải quyết.^[8] Đặc biệt, định luật nhiệt động thứ hai không bị ảnh hưởng bởi sự tồn tại của năng lượng chân không. ^{[cần dẫn nguồn]} Tuy nhiên, trong điện động lực học ngẫu nhiên, mật độ năng lượng được coi là một trường sóng nhiễu ngẫu nhiên cổ điển bao gồm các sóng nhiễu điện từ thực truyền theo phương vị theo mọi hướng. Năng lượng trong trường sóng như vậy dường như có thể truy cập được, ví dụ, không có gì phức tạp hơn một bộ ghép hướng. ^{[cần dẫn nguồn]} Khó khăn rõ ràng nhất dường như là sự phân bố quang phổ của năng lượng, khả năng tương thích với bất biến Lorentz đòi hỏi phải có dạng Kf³, trong đó K là hằng số và f biểu thị tần số.^[4][5] Theo sau đó, dòng năng lượng và động lượng trong trường sóng này chỉ trở nên có ý nghĩa ở các bước sóng cực ngắn mà công nghệ ghép hướng định hướng hiện đang thiếu. ^{[cần dẫn nguồn]}

Lịch sử

Năm 1934, Georges Lemaître đã sử dụng một phương trình trạng thái chất khí hoàn hảo khác thường để giải thích hằng số vũ trụ là do năng lượng chân không. Năm 1948, hiệu ứng Casimir đã cung cấp một phương pháp thử nghiệm để xác minh sự tồn tại của năng lượng chân không; vào năm 1955, tuy nhiên, Evgeny Lifshitz đã đưa ra một nguồn gốc khác cho hiệu ứng Casimir. Năm 1957, Lee và Yang đã chứng minh các khái niệm về sự đối xứng bị phá vỡ và vi phạm parity, với chứng minh này họ đã giành giải thưởng Nobel. Năm 1973, Edward Tryon đề xuất giả thuyết vũ trụ không năng lượng: rằng Vũ trụ có thể là một dao động chân không cơ học lượng tử quy mô lớn trong đó năng lượng khối lượng dương được cân bằng bởi năng lượng hấp dẫn âm. Trong những năm 1980, có nhiều nỗ lực liên kết các trường tạo ra năng lượng chân không với các trường cụ thể được dự đoán bằng các nỗ lực theo lý thuyết thống nhất Grand và sử dụng các quan sát về Vũ trụ để xác nhận phiên bản này hoặc một phiên bản khác. Tuy nhiên, bản chất chính xác của các hạt (hoặc trường) tạo ra năng lượng chân không, với mật độ như yêu cầu của lý thuyết lạm phát, vẫn còn là một bí ẩn.

Xem thêm

• Hiệu ứng Casimir
• Hằng số vũ trụ
• Năng lượng tối
• Chân không giả
• Nguyên tắc bất định của Heisenberg
• Giải pháp chân không Lambda
• Điện động lực học lượng tử
• Điện động lực học ngẫu nhiên
• Trạng thái chân không
• Hạt ảo
• Năng lượng điểm không
• Trường điểm không
• Vũ trụ năng lượng điểm không

Tham khảo

1. Battersby, Stephen. “It's confirmed: Matter is merely vacuum fluctuations”. New Scientist (bằng tiếng Anh). Truy cập ngày 18 tháng 6 năm 2020.
2. Scientific American. 1997. FOLLOW-UP: What is the 'zero-point energy' (or 'vacuum energy') in quantum physics? Is it really possible that we could harness this energy? – Scientific American. [ONLINE] Available at: http://www.scientificamerican.com/article/follow-up-what-is-the-zer/. [Accessed ngày 27 tháng 9 năm 2016].
3. Sean Carroll, Sr Research Associate – Physics, California Institute of Technology, ngày 22 tháng 6 năm 2006C-SPAN broadcast of Cosmology at Yearly Kos Science Panel, Part 1
4. ^ Peter W. Milonni – "The Quantum Vacuum"
5. ^ de la Pena and Cetto "The Quantum Dice: An Introduction to Stochastic Electrodynamics"
6. R. L. Jaffe: The Casimir Effect and the Quantum Vacuum. In: Physical Review D. Band 72, 2005
7. ^ Page, Don N. (1976). “Particle emission rates from a black hole: Massless particles from an uncharged, nonrotating hole”. Physical Review D. 13 (2): 198–206. Bibcode:1976PhRvD..13..198P. doi:10.1103/PhysRevD.13.198.
8. “IEEE Trans. Ed., 1996, p.7” (PDF). Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 28 tháng 12 năm 2013. Truy cập ngày 8 tháng 7 năm 2020.