Кванттық жүйенің нөлдік энергиясы

Нольдік нүктелік энергия – кванттық жүйелердің ең төменгі энергиясы. Бұл қағида абсолюттік нөлде де атомдар мен молекулалардың қозғалысын сақтайды, вакуумда да кездеседі.

42 мин оқу

100%

Дереккөз: Zero-point energy — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Кванттық жүйенің немесе өрістің ең төменгі мүмкін энергиясы

Нөлдік нүкте энергиясы (ННЭ) – кванттық механикалық жүйенің ие бола алатын ең төменгі мүмкін энергиясы. Классикалық механикадан өзгеше, кванттық жүйелер Хайзенбергтің белгісіздік принципімен сипатталғандай, ең төменгі энергия күйінде де үнемі құбылып тұрады. Сондықтан, тіпті абсолюттік нөлде де атомдар мен молекулалар қозғалыста болады. Атомдар мен молекулалардан бөлек, вакуумның бос кеңістігі де осы қасиеттерге ие. Кванттық өріс теориясына сәйкес, ғаламды оқшауланған бөлшектер емес, үздіксіз құбылатын өрістер ретінде қарастыруға болады: материя өрістері, олардың кванттары фермиондар (мысалы, лептондар мен кварктар), және күш өрістері, олардың кванттары бозондар (мысалы, фотондар мен глюондар). Бұл өрістердің барлығының нөлдік энергиясы бар. Осы құбылатын нөлдік нүкте өрістері физикаға эфирді қайта енгізуге алып келеді, себебі кейбір жүйелер осы энергияның бар екенін анықтай алады. Дегенмен, егер ол Лоренц инварианты болса, бұл эфирді физикалық орта ретінде қарастыруға болмайды, өйткені Эйнштейннің арнайы салыстырмалылық теориясымен қақтығыс туындайды. Нөлдік нүкте энергиясы тұжырымы космология үшін де маңызды, ал физикада қазіргі таңда осы контексте нөлдік нүкте энергиясын түсінуге толық теориялық модель жоқ; әсіресе, ғаламдағы теориялық және байқалған вакуум энергиясы арасындағы айырмашылық үлкен дау тудырады. Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясына сәйкес, мұндай энергия гравитациялық тартымға ие болады, ал ғаламның кеңеюінен, қара энергиядан және Казимир эффектісінен алынған тәжірибелік деректер мұндай энергияның өте әлсіз екенін көрсетеді. Бұл мәселені шешуге тырысатын бір ұсыныс – фермион өрісінің теріс нөлдік энергиясы бар, ал бозон өрісінің оң нөлдік энергиясы бар, демек, бұл энергиялар бір-бірін өзара жояды. Бұл идея егер суперсимметрия табиғаттың нақты симметриясы болса, дұрыс болар еді; алайда, ЦЕРН-дегі ҰЭЖ (LHC) оны қолдауға ешқандай дәлел таппады. Сонымен қатар, суперсимметрия дұрыс болса да, ол бұзылған симметрия болуы мүмкін, тек өте жоғары энергияда ғана нақты, және ешкім біз бүгін байқайтын төмен энергиялы ғаламда нөлдік нүктелердің өзара жойылуын көрсете алған жоқ. Бұл айырмашылық космологиялық тұрақты проблема деп аталады және ол физикадағы ең үлкен шешілмеген құпиялардың бірі. Көптеген физиктер «вакуум табиғатты толық түсінудің кілтін ұстап тұр» деп санайды.

Zero point energy (ZPE) is the lowest possible energy that a quantum mechanical system may have. Unlike in classical mechanics, quantum systems constantly fluctuate in their lowest energy state as described by the Heisenberg uncertainty principle. Therefore, even at absolute zero, atoms and molecules retain some vibrational motion. Apart from atoms and molecules, the empty space of the vacuum also has these properties. According to quantum field theory, the universe can be thought of not as isolated particles but continuous fluctuating fields: matter fields, whose quanta are fermions (i. e., leptons and quarks), and force fields, whose quanta are bosons (e. g., photons and gluons). All these fields have zero point energy. These fluctuating zero point fields lead to a kind of reintroduction of an aether in physics since some systems can detect the existence of this energy. However, this aether cannot be thought of as a physical medium if it is to be Lorentz invariant such that there is no contradiction with Einstein's theory of special relativity. The notion of a zero point energy is also important for cosmology, and physics currently lacks a full theoretical model for understanding zero point energy in this context; in particular, the discrepancy between theorized and observed vacuum energy in the universe is a source of major contention. Yet according to Einstein's theory of general relativity, any such energy would gravitate, and the experimental evidence from the expansion of the universe, dark energy and the Casimir effect shows any such energy to be exceptionally weak. One proposal that attempts to address this issue is to say that the fermion field has a negative zero point energy, while the boson field has positive zero point energy and thus these energies somehow cancel each other out. This idea would be true if supersymmetry were an exact symmetry of nature; however, the LHC at CERN has so far found no evidence to support it. Moreover, it is known that if supersymmetry is valid at all, it is at most a broken symmetry, only true at very high energies, and no one has been able to show a theory where zero point cancellations occur in the low energy universe we observe today. This discrepancy is known as the cosmological constant problem and it is one of the greatest unsolved mysteries in physics. Many physicists believe that "the vacuum holds the key to a full understanding of nature".

Этимологиясы мен терминологиясы

"Нөлдік нүкте энергиясы" (ZPE) термині неміс тіліндегі "Nullpunktsenergie" сөзінен аударма. Кейде "нөлдік нүкте сәулеленуі" және "негізгі күй энергиясы" терминдері де осымен алмастырылып қолданылады. "Нөлдік нүкте өрісі" (ZPF) термині нақты вакуум өрісін атау үшін қолданылуы мүмкін, мысалы, кванттық электродинамикамен (фотондар, электрондар және вакуум арасындағы электромагниттік өзара әрекеттесулер сияқты) айналысатын QED вакуумы немесе кванттық хромодинамикамен (кварктар, глюондар және вакуум арасындағы түс зарядтарының өзара әрекеттесулері сияқты) айналысатын QCD вакуумы. Вакуумды бос кеңістік емес, барлық нөлдік нүкте өрістерінің жиынтығы ретінде қарастыруға болады. Кванттық өрістер теориясында мұндай өрістер жиынтығы вакуумдық күй деп аталады, оған байланысты нөлдік нүкте энергиясы вакуумдық энергия деп, ал орташа энергия шамасы вакуумдық күтілім мәні (ВКМ) немесе оның конденсаты деп аталады.

Шолу

Классикалық механикада барлық бөлшектердің потенциалдық энергиясы мен кинетикалық энергиясынан тұратын энергиясы бар деп қарастыруға болады. Мысалы, температура кинетикалық энергияның (Браун қозғалысы деп аталады) себепші болған кездейсоқ бөлшектердің қозғалысының қарқындылығынан туындайды. Температура абсолютті нөлге дейін төмендей түскенде, барлық қозғалыс тоқтап, бөлшектер толығымен тынығады деп ойлауға болады. Алайда шын мәнінде кинетикалық энергияны бөлшектер тіпті ең төменгі температурада да сақтайды. Бұл нөлдік нүкте энергиясына сәйкес келетін кездейсоқ қозғалыс ешқашан жоғалмайды; ол кванттық механиканың белгісіздік қағидатының салдары. Белгісіздік принципі бойынша, ешбір объект бір мезгілде орын мен жылдамдықтың нақты мәндеріне ие бола алмайды. Кванттық механикалық объектінің жалпы энергиясы (потенциалдық және кинетикалық) оның Гамильтониясымен сипатталады, ол сонымен қатар жүйені әр түрлі энергия күйлері арасында ауытқуы бар гармоникалық тербелісші немесе толқын функциясы ретінде сипаттайды (толқын-бөлшек дуалдығын қараңыз). Кванттық механикалық жүйелердің барлығы тіпті негізгі күйінде де өзгеріске ұшырайды, бұл олардың толқынға ұқсас табиғатының салдары. Белгісіздік принципі әрбір кванттық механикалық жүйенің классикалық потенциалдық құнының минимумынан жоғары ауытқуы бар нөлдік нүкте энергиясына ие болуын талап етеді. Бұл абсолютті нөлде қозғалыс пайда болады. Мысалы, сұйық гелий атмосфералық қысым кезінде температураға қарамастан, нөлдік нүктелік энергиясына байланысты тоңазымайды. Альберт Эйнштейннің масса мен энергияның теңдігін ескере отырып, кеңістіктегі энергиясы бар кез келген нүкте массасы бар бөлшектерді құру үшін деп есептеуге болады. Виртуалды бөлшектер кеңістіктегі әр нүктеде, белгісіздік принципімен байланысты кванттық флуктуациялардың энергиясына байланысты пайда болады. Қазіргі физика материя мен күштер арасындағы негізгі өзара әрекеттесуді түсіну үшін кванттық өріс теориясын (КӨТ) жасады, ол кеңістіктің әрбір нүктесін кванттық гармоникалық тербелісші ретінде қарастырады. QFT-ге сәйкес ғалам материялық өрістерден тұрады, олардың кванттары фермиондар (мысалы, лептондар мен кварктар) және күш өрістері, олардың кванттары бозондар (мысалы, фотондар мен глюондар). Бұл өрістердің барлығы нөлдік энергиялы. Соңғы тәжірибелер бөлшектердің өздерін кванттық вакуумның қозғайтын күйі ретінде қарастыруға болады деген ойды қолдайды және материяның барлық қасиеттері нөлдік нүкте өрісінің өзара әрекеттесуінен туындайтын тек вакуумдық ауытқулар болып табылады. "Бос" кеңістікте өзіне тән энергия болуы мүмкін деген ой, және "нағыз вакуум" деген нәрсе жоқ, бұл интуитивті емес сияқты. Әдетте бүкіл ғалам нөлдік нүкте сәулеленуіне толығымен шомылған деп айтылады, сондықтан ол есептеулерге тек кейбір тұрақты мөлшерді ғана қоса алады. Сондықтан физикалық өлшеулер осы мәннен ауытқуларды ғана көрсетеді. Көптеген практикалық есептеулер үшін нөлдік нүктелік энергия математикалық модельде физикалық әсері жоқ термин ретінде қарастырылмайды. Мұндай емдеу проблемалар тудырады, бірақ Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясында кеңістіктің абсолютті энергия мәні кездейсоқ тұрақты емес және космологиялық тұрақтыны тудырады. Физиктердің көпшілігі онжылдықтар бойы нөлдік нүкте энергиясын шексіз алып тастайтын және оны мүлдем жоғалтатын, әлі табылмаған негізгі принцип бар деп ойлады. Егер вакуумда энергияның абсолютті мәні болмаса, онда ол гравитация жасамайды. Ғалам Үлкен жарылыстан кейін кеңейе бастағанда, бос кеңістіктің кез келген бірлігінде бар энергия, жалпы энергия ғаламның көлемін толтыру үшін таралғанда азаяды деп сенді; галактикалар мен ғаламдағы барлық заттар баяулай бастауы керек. Бұл ықтималдық 1998 жылы ғаламның кеңейуі баяулап емес, тездетіп жатыр деген жаңалықпен жоққа шығарылды, яғни бос кеңістікте, шынымен де, ішкі энергия бар. Қара энергияның ашылуы нөлдік нүкте энергиясымен жақсы түсіндіріледі, бірақ теория арқылы алынған үлкен құнмен салыстырғанда оның мәні неге соншалықты кішкентай болып көрінетіні әлі күнге дейін құпия болып қала береді – космологиялық тұрақты проблемасы. Нөлдік нүкте энергиясына жатқызылған көптеген физикалық әсерлер эксперименттік түрде расталды, мысалы, өздігінен сәуле шығару, Казимир күші, Лэмб ауысуы, электронның магниттік моменті және Дельбрюк шашырауы. Бұл әсерлер әдетте "радиациялық түзетулер" деп аталады. Күрделірек, сыралық емес теорияларда (мысалы, QCD) нөлдік нүкте энергиясы көптеген күрделі құбылыстарға, мысалы, бірнеше тұрақты күйлерге, симметрияның бұзылуына, хаостыққа және пайда болуға әкелуі мүмкін. Көптеген физиктер "вакуум табиғатты толық түсінудің кілтін ұстап тұр" деп сендіреді және оны зерттеу әлемнің біртұтас теориясын іздеуде маңызды болып табылады. Белсенді зерттеу салаларына виртуалды бөлшектердің әсері, кванттық байланыс, инерциялық және гравитациялық масса арасындағы айырмашылық (бар болса), жарық жылдамдығының өзгеруі, космологиялық тұрақтының байқалған мәніне себеп және қара энергияның табиғаты кіреді.

In classical mechanics all particles can be thought of as having some energy made up of their potential energy and kinetic energy. Temperature, for example, arises from the intensity of random particle motion caused by kinetic energy (known as Brownian motion). As temperature is reduced to absolute zero, it might be thought that all motion ceases and particles come completely to rest. In fact, however, kinetic energy is retained by particles even at the lowest possible temperature. The random motion corresponding to this zero point energy never vanishes; it is a consequence of the uncertainty principle of quantum mechanics. The uncertainty principle states that no object can ever have precise values of position and velocity simultaneously. The total energy of a quantum mechanical object (potential and kinetic) is described by its Hamiltonian which also describes the system as a harmonic oscillator, or wave function, that fluctuates between various energy states (see wave particle duality). All quantum mechanical systems undergo fluctuations even in their ground state, a consequence of their wave like nature. The uncertainty principle requires every quantum mechanical system to have a fluctuating zero point energy greater than the minimum of its classical potential well. This results in motion even at absolute zero. For example, liquid helium does not freeze under atmospheric pressure regardless of temperature due to its zero point energy. Given the equivalence of mass and energy expressed by Albert Einstein's , any point in space that contains energy can be thought of as having mass to create particles. Virtual particles spontaneously flash into existence at every point in space due to the energy of quantum fluctuations caused by the uncertainty principle. Modern physics has developed quantum field theory (QFT) to understand the fundamental interactions between matter and forces, it treats every single point of space as a quantum harmonic oscillator. According to QFT the universe is made up of matter fields, whose quanta are fermions (i. e. leptons and quarks), and force fields, whose quanta are bosons (e. g. photons and gluons). All these fields have zero point energy. Recent experiments advocate the idea that particles themselves can be thought of as excited states of the underlying quantum vacuum, and that all properties of matter are merely vacuum fluctuations arising from interactions of the zero point field. The idea that "empty" space can have an intrinsic energy associated with it, and that there is no such thing as a "true vacuum" is seemingly unintuitive. It is often argued that the entire universe is completely bathed in the zero point radiation, and as such it can add only some constant amount to calculations. Physical measurements will therefore reveal only deviations from this value. For many practical calculations zero point energy is dismissed by fiat in the mathematical model as a term that has no physical effect. Such treatment causes problems however, as in Einstein's theory of general relativity the absolute energy value of space is not an arbitrary constant and gives rise to the cosmological constant. For decades most physicists assumed that there was some undiscovered fundamental principle that will remove the infinite zero point energy and make it completely vanish. If the vacuum has no intrinsic, absolute value of energy it will not gravitate. It was believed that as the universe expands from the aftermath of the Big Bang, the energy contained in any unit of empty space will decrease as the total energy spreads out to fill the volume of the universe; galaxies and all matter in the universe should begin to decelerate. This possibility was ruled out in 1998 by the discovery that the expansion of the universe is not slowing down but is in fact accelerating, meaning empty space does indeed have some intrinsic energy. The discovery of dark energy is best explained by zero point energy, though it still remains a mystery as to why the value appears to be so small compared to the huge value obtained through theory – the cosmological constant problem. Many physical effects attributed to zero point energy have been experimentally verified, such as spontaneous emission, Casimir force, Lamb shift, magnetic moment of the electron and Delbrück scattering. These effects are usually called "radiative corrections". In more complex nonlinear theories (e. g. QCD) zero point energy can give rise to a variety of complex phenomena such as multiple stable states, symmetry breaking, chaos and emergence. Many physicists believe that "the vacuum holds the key to a full understanding of nature" and that studying it is critical in the search for the theory of everything. Active areas of research include the effects of virtual particles, quantum entanglement, the difference (if any) between inertial and gravitational mass, variation in the speed of light, a reason for the observed value of the cosmological constant and the nature of dark energy.

Ертедегі эфир теориясы

Нөлдік нүкте энергиясы вакуум туралы тарихи идеялардан туындады. Аристотель үшін вакуум τὸ κενόν, "бос кеңістік" еді; яғни, денеден тәуелсіз кеңістік. Ол бұл тұжырымның физиканың негізгі принциптерін бұзады деп сенді және от, ауа, жер және су элементтері атомдардан емес, үздіксіз деп мәлімдеді. Атомистер үшін бос кеңістік ұғымы абсолютті сипатқа ие болды: ол барлық пен жоқтың арасындағы айырмашылық еді. Вакуумның қасиеттері туралы пікірталастар көбінесе философия саласында шектелді, тек қайта өрлеу дәуірінің басталуымен Ото фон Герике алғашқы вакуум сорғысын ойлап тапқаннан кейін ғана сынақтан өткізілетін ғылыми идеялар пайда бола бастады. Барлық газдарды алып тастау арқылы кеңістіктің толық бос көлемін жасауға болады деп есептелді. Бұл вакуум туралы алғашқы қабылданған тұжырымдама болды. Алайда, 19 ғасырдың соңында эвакуацияланған аймақта жылулық сәулеленудің әлі де бар екені анықталды. Шынайы бос кеңістіктің орнына эфирдің болуы сол кездегі ең басым теория болды. Максвеллдің электродинамикасына негізделген сәтті электромагниттік эфир теориясына сәйкес, бұл қамтитын эфир энергиямен жаратылған және сондықтан ештен ерекшеленеді. Электромагниттік және гравитациялық құбылыстардың бос кеңістікте оңай таралуы олармен байланысты эфирлер кеңістіктің өзінің құрамдас бөлігі екенін көрсетті. Максвелл өзі былай атап өтті:

Дегенмен, 1887 жылғы Майкелсон-Морли эксперименті сол кездегі басым эфир теорияларының қате екенін көрсететін алғашқы нақты дәлел болды және арнайы салыстырмалылық теориясына әкелген зерттеулердің желісін бастады, ол тұрақты эфир идеясын толығымен жоққа шығарды. Сол кездегі ғалымдарға кеңістікте суыту арқылы және осылайша барлық сәулеленуді немесе энергияны жою арқылы нағыз вакуум жасауға болады деп ойылды. Осы идеядан нағыз вакуумға жетудің екінші тұжырымдамасы пайда болды: эвакуациядан кейін кеңістіктің бір бөлігін абсолюттік нөлдік температураға дейін салқындату. 19 ғасырда абсолюттік нөлге қол жеткізу техникалық жағынан мүмкін емес еді, сондықтан пікір таласы шешілмеді.

Екінші кванттық теория

1900 жылы Макс Планк бір энергетикалық радиатордың, мысалы, дірілдейтін атомдық бірліктің орташа энергиясын абсолюттік температураның функциясы ретінде шығарды: мұнда h – Планк тұрақтысы, ν – жиілік, k – Болцман тұрақтысы, ал T – абсолюттік температура. Нөлдік нүкте энергиясы Планктың бастапқы заңына ешқандай үлес қоспайды, өйткені оның бар екені Планкке 1900 жылы белгісіз болды. Нөлдік нүкте энергиясы тұжырымдамасын 1911 жылы Германияда Макс Планк өзінің бастапқы кванттық теориясында 1900 жылы жасалған нөлдік негізделген формулаға қосылған түзету термині ретінде әзірледі. 1912 жылы Макс Планк энергияның дискретті кванттарына негізделген сәулеленудің үздіксіз шығарылуын сипаттаған алғашқы мақаласын жариялады. Планктың "екінші кванттық теориясында" резонаторлар энергияны үнемі сіңіреді, бірақ фазалық кеңістіктегі шекті жасушалардың шекарасына жеткенде ғана дискретті энергия кванттарында энергия шығарады, онда олардың энергиясы hν бүтін сандарының еселігіне айналады. Бұл теория Планкты жаңа сәулелену заңына жеткізді, бірақ бұл нұсқада энергия резонаторлары нөлдік нүкте энергиясына ие болды, бұл резонатор қабылдай алатын ең кішкентай орташа энергия. Планк сәулелену теңдеуі қосымша термин ретінде жиілікке байланысты нөлден үлкен қалдық энергия коэффициентін, бір нөлді қамтиды (осы жерде h – Планк тұрақтысы). Сондықтан "Планк теңдеуі нөлдік нүкте энергиясы тұжырымдамасының пайда болуын белгіледі" дегенге кеңінен келісіледі. 1911 жылдан 1913 жылға дейінгі бірқатар еңбектерінде Планк тербелістің орташа энергиясын былай деп тапты: Көп ұзамай нөлдік нүкте энергиясы туралы идея Альберт Эйнштейн мен оның көмекшісі Отто Стерннің назарын аударды. 1913 жылы олар сутек газының меншікті жылулығын есептеу арқылы нөлдік нүкте энергиясының бар екенін дәлелдеуге тырысқан және оны тәжірибелік деректермен салыстырған мақаланы жариялады. Алайда, олар өздері сәтті деп ойлағаннан кейін, олар бұл идеяны жариялағаннан кейін көп ұзамай қолдауынан бас тартты, өйткені олар Планктың екінші теориясы өздерінің үлгілеріне қолданылмайтын шығар деп тапты. Сол жылы Эйнштейн Пол Эренфестке жазған хатында нөлдік нүкте энергиясын "есік тырнағындай өлі" деп жариялады. Нөлдік нүктелік энергияны Питер Деби де қолданды. Ол кристалл тордың атомдарының нөлдік нүктелік энергиясы температура абсолюттік нөлге жақындаған кезде де рентген сәулелерінің дифракциясындағы дифракцияланған сәулеленудің интенсивтілігінің төмендеуіне себеп болатынын атап өтті. 1916 жылы Уолтер Нернст бос кеңістік нөлдік нүктелік электромагниттік сәулеленумен толтырылды деп ұсынды. Жалпы салыстырмалылық теориясының дамуымен Эйнштейн өзінің өріс теңдеулеріне статикалық шешімдер алу үшін космологиялық тұрақтыға үлес қосу үшін вакуумның энергия тығыздығын тапты; бос кеңістіктің немесе вакуумның өзіне байланысты кейбір ішкі энергиясы болуы мүмкін деген идея қайтып келді, Эйнштейн 1920 жылы былай деді: Эфир гипотезасының пайдасына келтірілетін салмақты аргумент бар. Эфирдің бар екенін жоққа шығару – бұл бос кеңістіктің ешқандай физикалық қасиеттері жоқ деп ойлау. Механиканың негізгі фактілері осы көзқараспен үйлеспейді, жалпы салыстырмалылық теориясы бойынша кеңістік физикалық қасиеттерге ие; осы мағынада, сондықтан эфир бар. Жалпы салыстырмалылық теориясына сәйкес эфирсіз кеңістік ойға сыймайды; өйткені мұндай кеңістікте жарық таралуы ғана емес, сонымен қатар кеңістік пен уақыт стандарттарының (өлшеу таяқшалары мен сағаттар) болуы мүмкін емес, сондықтан физикалық мағынада кеңістіктік уақыт аралықтары да жоқ. Бірақ бұл эфирді уақыт бойына ізденуге болатын бөліктерден тұратын, салмақты ортаның сапалық ерекшелігімен қамтамасыз етілген деп ойлау мүмкін емес. Оған қозғалыс идеясы қолданылмайды. Курт Бенневиц (химик) және Франсис Саймон (1923), Берлиндегі Уолтер Нернст зертханасында жұмыс істеген, химиялық заттардың төмен температурада балқу процесін зерттеді. Сутек, аргон және сынаптың балқу нүктелерін есептеу нәтижесінде олар нөлдік энергетикалық нүктеге дәлел келтірді. Сонымен қатар, олар кейіннен Саймонның (1934) растауы бойынша, бұл шама гелийді тіпті абсолютті нөлде қатып қалудың қиындықтарына себепші болды деп дұрыс ұсынды. 1924 жылы Роберт Мулликен молекулалық тербелістердің нөлдік нүктелік энергиясына 10BO және 11BO жолақтарының спектрін салыстыру арқылы тікелей дәлел келтірді: егер нөлдік нүктелік энергия болмаса, екі түрлі электрондық деңгейлердің негізгі тербеліс күйлері арасындағы өту жиіліктеріндегі изотоптық айырмалық жоғалар еді, байқалатын спектрлерге қарамастан. Содан кейін бір жыл өткен соң 1925 жылы, Вернер Гейзенбергтің "Қинематикалық және механикалық қатынастардың кванттық теориялық қайта интерпретациясы" атты мақаласында матрицалық механиканың дамуымен нөлдік нүкте энергиясы кванттық механикадан алынды. 1913 жылы Нильс Бор қазір Бор моделі деп аталатын атом моделін ұсынды, бірақ осыған қарамастан электрондардың неге өз ядроларына түспейтініне байланысты құпия сақталды. Классикалық идеялар бойынша, үдемелі заряд энергияны сәулелену арқылы жоғалтатыны, электрондар ядроға спираль тәрізді түсіп, атомдар тұрақты болмайтынын білдіреді. Бұл классикалық механиканың мәселесін Джеймс Хопвуд Джинс 1915 жылы жақсы түйіндеді: "r-дің нөлдік мәндеріне дейін күш заңының сақталуына үлкен қиындықтар тудырар еді. Нөлдік қашықтықтағы екі заряд арасындағы күштер шексіз болар еді; біз қарама-қарсы зарядтарды үнемі бір-біріне асығыс түсетінін және бірге келгеннен кейін ешқандай күш оларды жоюға немесе өлшемді шексіз кішіреюге дейін азайтуға ұмтылмаса еді." Бұл жұмбақтың шешімі 1926 жылы Шредингердің атақты теңдеуімен келді. Бұл теңдеу жаңа, классикалық емес фактіні түсіндірді, ядроға жақын болуға шектелген электронның қажетті түрде үлкен кинетикалық энергияға ие болатынын, сондықтан ең төменгі жалпы энергия (кинетикалық плюс потенциалдық) нөлдік айырылыстан гөрі кейбір оң айырылыста пайда болады; басқаша айтқанда, атомдық тұрақтылық үшін нөлдік нүкте энергиясы қажет.

In 1900, Max Planck derived the average energy ε of a single energy radiator, e. g., a vibrating atomic unit, as a function of absolute temperature:

where h is the Planck constant, ν is the frequency, k is the Boltzmann constant, and T is the absolute temperature. The zero point energy makes no contribution to Planck's original law, as its existence was unknown to Planck in 1900. The concept of zero point energy was developed by Max Planck in Germany in 1911 as a corrective term added to a zero grounded formula developed in his original quantum theory in 1900. In 1912, Max Planck published the first journal article to describe the discontinuous emission of radiation, based on the discrete quanta of energy. In Planck's "second quantum theory" resonators absorbed energy continuously, but emitted energy in discrete energy quanta only when they reached the boundaries of finite cells in phase space, where their energies became integer multiples of hν. This theory led Planck to his new radiation law, but in this version energy resonators possessed a zero point energy, the smallest average energy a resonator could take on. Planck's radiation equation contained a residual energy factor, one , as an additional term dependent on the frequency ν, which was greater than zero (where h is the Planck constant). It is therefore widely agreed that "Planck's equation marked the birth of the concept of zero point energy." In a series of papers from 1911 to 1913, Planck found the average energy of an oscillator to be:

Soon, the idea of zero point energy attracted the attention of Albert Einstein and his assistant Otto Stern. In 1913 they published a paper that attempted to prove the existence of zero point energy by calculating the specific heat of hydrogen gas and compared it with the experimental data. However, after assuming they had succeeded, they retracted support for the idea shortly after publication because they found Planck's second theory may not apply to their example. In a letter to Paul Ehrenfest of the same year Einstein declared zero point energy "dead as a doornail". Zero point energy was also invoked by Peter Debye, who noted that zero point energy of the atoms of a crystal lattice would cause a reduction in the intensity of the diffracted radiation in X ray diffraction even as the temperature approached absolute zero. In 1916 Walther Nernst proposed that empty space was filled with zero point electromagnetic radiation. With the development of general relativity Einstein found the energy density of the vacuum to contribute towards a cosmological constant in order to obtain static solutions to his field equations; the idea that empty space, or the vacuum, could have some intrinsic energy associated with it had returned, with Einstein stating in 1920:

There is a weighty argument to be adduced in favour of the aether hypothesis. To deny the aether is ultimately to assume that empty space has no physical qualities whatever. The fundamental facts of mechanics do not harmonize with this view according to the general theory of relativity space is endowed with physical qualities; in this sense, therefore, there exists an aether. According to the general theory of relativity space without aether is unthinkable; for in such space there not only would be no propagation of light, but also no possibility of existence for standards of space and time (measuring rods and clocks), nor therefore any space time intervals in the physical sense. But this aether may not be thought of as endowed with the quality characteristic of ponderable media, as consisting of parts which may be tracked through time. The idea of motion may not be applied to it. Kurt Bennewitz (Chemiker) and Francis Simon (1923), who worked at Walther Nernst's laboratory in Berlin, studied the melting process of chemicals at low temperatures. Their calculations of the melting points of hydrogen, argon and mercury led them to conclude that the results provided evidence for a zero point energy. Moreover, they suggested correctly, as was later verified by Simon (1934), that this quantity was responsible for the difficulty in solidifying helium even at absolute zero. In 1924 Robert Mulliken provided direct evidence for the zero point energy of molecular vibrations by comparing the band spectrum of 10BO and 11BO: the isotopic difference in the transition frequencies between the ground vibrational states of two different electronic levels would vanish if there were no zero point energy, in contrast to the observed spectra. Then just a year later in 1925, with the development of matrix mechanics in Werner Heisenberg's famous article "Quantum theoretical re interpretation of kinematic and mechanical relations" the zero point energy was derived from quantum mechanics. In 1913 Niels Bohr had proposed what is now called the Bohr model of the atom, but despite this it remained a mystery as to why electrons do not fall into their nuclei. According to classical ideas, the fact that an accelerating charge loses energy by radiating implied that an electron should spiral into the nucleus and that atoms should not be stable. This problem of classical mechanics was nicely summarized by James Hopwood Jeans in 1915: "There would be a very real difficulty in supposing that the (force) law held down to the zero values of r. For the forces between two charges at zero distance would be infinite; we should have charges of opposite sign continually rushing together and, when once together, no force would tend to shrink into nothing or to diminish indefinitely in size." The resolution to this puzzle came in 1926 with Schrödinger's famous equation. This equation explained the new, non classical fact that an electron confined to be close to a nucleus would necessarily have a large kinetic energy so that the minimum total energy (kinetic plus potential) actually occurs at some positive separation rather than at zero separation; in other words, zero point energy is essential for atomic stability.

Кванттық өріс теориясы және одан тыс

1926 жылы Паскуаль Джордан электромагниттік өрісті кванттаудың алғашқы талпынысын жариялады. Макс Борн және Вернер Гейзенбергпен бірлескен мақалада ол қуыстың ішіндегі өрісті кванттық гармоникалық осцилляторлардың суперпозициясы ретінде қарастырды. Ол есептеулерінде осцилляторлардың «жылу энергиясынан» өзге, нөлдік нүкте энергиясының шексіз мүшесі болуы керек екенін тапты. Ол Эйнштейннің 1909 жылы алған флуктуация формуласын шығара алды. Алайда, Джордан өзінің шексіз нөлдік нүкте энергиясы мүшесінің «нақты» екенін ойлаған жоқ, Эйнштейнге «бұл тікелей физикалық мағынасы жоқ есептеу шамасы» деп жазды. Джордан 1928 жылы Паулимен бірлескен жұмысты жариялап, шексіз мүшені жою жолын тапты, бұл «кванттық өріс теориясындағы алғашқы шексіз азайту, немесе ренормализация» деп аталды. Гейзенбергтің және басқалардың жұмысына сүйене отырып, Пол Дирактың сәуле шығару және сіңіру теориясы (1927) сәулеленудің кванттық теориясының алғашқы қолданылуы болды. Дирактың жұмысы кванттық механиканың жаңа саласына өте маңызды болып көрінді; ол «бөлшектердің» іс жүзінде пайда болатын процесімен тікелей айналысты: спонтанды сәуле шығару. Дирак электромагниттік өрістің квантталуын гармоникалық осцилляторлардың жиынтығы ретінде, бөлшектердің жаратылу және жойылмау операторлары тұжырымдамасын енгізу арқылы сипаттады. Теория спонтанды сәуле шығарудың басталуы электромагниттік өрістің нөлдік нүктелік флуктуацияларына байланысты екенін көрсетті. Фотонды жоятын (сіңіретін) процесте фотонды вакуумдық күйге өту ретінде қарастыруға болады. Сол сияқты, фотон пайда болған кезде (эмиттелгенде), фотонның вакуумдық күйден шығып кеткенін елестету кейде пайдалы. Дирактың сөздерімен айтқанда: Жарық кванты ерекшелігі - ол өзінің тұрақты күйлерінің біріне, яғни нөлдік күйге, оның импульсі және демек энергиясы нөлге тең болғанда, өмір сүруін тоқтатады. Жарық кванты сіңген кезде оны нөлдік күйге секірген деп қарастыруға болады, ал бірін шығарғанда нөлдік күйден физикалық түрде байқалатын күйге секірген деп қарастыруға болады, сондықтан ол жасалған деп саналады. Осылайша жасалатын жарық кванттарының саны шектелмегендіктен, нөлдік күйде шексіз жарық кванттары бар деп болжауымыз керек. Қазіргі физиктерден спонтанды сәуле шығарудың физикалық түсіндірмесін сұрағанда, әдетте электромагниттік өрістің нөлдік нүктесі энергиясын айтады. Бұл көзқарасты Виктор Вайскопф танымал етті, ол 1935 жылы былай деп жазды: Кванттық теориядан нөлдік нүкте тербелісі деп аталатынның бар екендігі шығады; мысалы, әрбір осциллятор өзінің ең төменгі күйінде толығымен тынышталмайды, бірақ әрқашан өзінің тепе-теңдік жағдайында қозғалады. Сондықтан электромагниттік тербелістер де ешқашан толығымен тоқтамайды. Электромагниттік өрістің кванттық табиғаты ең төменгі энергиялық күйдегі өрістің нөлдік нүктелік тербелістеріне әкеледі, онда кеңістікте жарық кванттары жоқ. Нөлдік нүкте тербелістері электронға қарапайым электр тербелістері сияқты әсер етеді. Олар электронның өзіндік күйін өзгерте алады, бірақ тек ең төмен энергиялы күйге ауысқанда ғана, өйткені бос кеңістік энергияны алып тастай алады, бірақ оны бермейді. Осылайша спонтанды сәулелену нөлдік нүкте тербелісіне сәйкес келетін осы ерекше өріс күштерінің болуының нәтижесінде пайда болады. Сондықтан спонтанды сәулелену - бұл бос кеңістіктің нөлдік нүктелік тербелістерінен пайда болған жарық кванттарының индуцирленген сәулеленуі. Бұл көзқарасты кейінірек де (1948) қолдады, ол спонтанды сәулеленуді «өзгермелі өрістің әсерінен болатын мәжбүрлі сәуле шығару деп қарастыруға болады» деп дәлелдеді. Дирак кванттық электродинамиканы (КЭД) енгізген бұл жаңа теория, тіпті көздер болмаған кезде де нөлдік нүкте немесе «вакуум» өрісінің өзгеруін болжады. 1940 жылдары микротолқынды технологияны жетілдіру сутек атомының деңгейлерінің ауысуын, қазір Ламб ауысуы деп аталатын, және электронның магниттік моментін өлшеуді толығырақ өлшеуді мүмкін етті. Бұл эксперименттер мен Дирак теориясының арасындағы сәйкессіздіктер нөлдік нүкте шексіздігімен жұмыс істеу үшін QED-ге ренормализацияны енгізу идеясына әкелді. Ренормализацияны бастапқыда Ханс Крамерс және Виктор Вайскопф (1936) жасады, ал алғаш рет Ханс Бете (1947) Ламб ауысуының шекті мәнін есептеу үшін сәтті қолданды. Спонтанды сәуле шығаруға қатысты, бұл әсерлерді нөлдік нүкте өрісімен өзара әрекеттесу арқылы түсінуге болады. Бірақ ренормализация есептеулерден кейбір нөлдік нүкте шексіздіктерін жоя алатындықтан, барлық физиктер нөлдік нүкте энергиясына физикалық мағына беруге дайын болған жоқ, оны математикалық артефакт ретінде қарастырды, оны бір күні жоюға болады. Вольфганг Паулидің 1945 жылғы Нобель лекциясында ол нөлдік нүкте энергиясының идеясына қарсы екенін айқын жеткізді, «Бұл нөлдік нүкте энергиясының физикалық шындық еместігі анық» деді. 1948 жылы Хендрик Казимир нөлдік нүкте өрісінің бір салдары - екі зарядталмаған, мінсіз өткізгіш параллель тақталар арасындағы тартымды күш, сонымен аталатын Казимир эффектісі екенін көрсетті. Ол кезде Казимир коллоидтық ерітінділердің қасиеттерін зерттеді. Бұл бояу және майонез сияқты тұтқыр материалдар, сұйық матрицада микронды өлшемдегі бөлшектерді қамтиды. Мұндай ерітінділердің қасиеттері Ван дер Ваальс күштерімен анықталады - бейтарап атомдар мен молекулалар арасында болатын қысқа қашықтықтағы тартымды күштер. Казимирдің әріптесі, Тео Овербек, 1930 жылы Фриц Лондон жасаған Ван дер Ваальс күштерін түсіндіруге қолданылған теория коллоидтардағы эксперименттік өлшемдерді дұрыс түсіндірмейтінін түсінді. Овербек содан кейін Казимирден мәселені зерттеуін сұрады. Дирк Полдермен бірлесіп жұмыс істеген Казимир екі бейтарап молекула арасындағы өзара әрекеттесуді дұрыс сипаттау үшін жарық шекті жылдамдықпен жүретінін ескеру қажет екенін анықтады. Кейіннен Бормен нөлдік нүкте энергиясы туралы әңгімелескеннен кейін Казимир бұл нәтижені вакуумдық флуктуациялар тұрғысынан түсіндіруге болатынын байқады. Содан кейін ол егер екі айна - екі молекуланың орнына - вакуумда бір-біріне қарап тұрса не болады деп өзін сұрады. Осы жұмыс оның тартымды күштің айналар арасында болатынын болжауына әкелді. Казимир мен Полдердің жұмысы Ван дер Ваальс және Казимир күштерінің біріктірілген теориясына және екі құбылыс арасындағы үздіксіз байланысқа жол ашты. Бұл 1956 жылы Лифшиц жасады, жазық-параллель диэлектрлік тақталар үшін. Ван дер Ваальс және Казимир күштерінің жалпы атауы - дисперсиялық күштер, өйткені олардың екеуі де дипольдік момент операторының дисперсиясынан туындайды. Релятивистік күштердің рөлі жүз нанометрге жуық өлшемдерде басым болады. 1951 жылы Герберт Каллен және Теодор Велтон кванттық флуктуация-диссипация теоремасын (FDT) дәлелдеді, бұл алғашқыда Найквист (1928) классикалық формада электр тізбектерінде байқалған Джонсон шуын түсіндіру ретінде жасалған. Флуктуация-диссипация теоремасы энергияны тиімді түрде қайтымсыз жоғалтқанда, байланысты жылу ваннасы да флуктуацияланатынын көрсетті. Флуктуациялар мен диссипация қол қосып жүреді; бірінсіз екіншісі болу мүмкін емес. FDT-нің салдары вакуумды диссипативті күшке байланысты жылу ваннасы ретінде қарастыруға болатыны және осылайша энергияның ықтимал пайдалы жұмыстар үшін вакуумнан алынуы мүмкін екені. FDT белгілі бір кванттық, классикалық емес жағдайларда экспериментальды түрде дұрыс екені көрсетілді. 1963 жылы Джейнес-Каммингс моделі жүйесін сипаттайтын...

In 1926 Pascual Jordan published the first attempt to quantize the electromagnetic field. In a joint paper with Max Born and Werner Heisenberg he considered the field inside a cavity as a superposition of quantum harmonic oscillators. In his calculation he found that in addition to the "thermal energy" of the oscillators there also had to exist an infinite zero point energy term. He was able to obtain the same fluctuation formula that Einstein had obtained in 1909. However, Jordan did not think that his infinite zero point energy term was "real", writing to Einstein that "it is just a quantity of the calculation having no direct physical meaning". Jordan found a way to get rid of the infinite term, publishing a joint work with Pauli in 1928, performing what has been called "the first infinite subtraction, or renormalisation, in quantum field theory". Building on the work of Heisenberg and others, Paul Dirac's theory of emission and absorption (1927) was the first application of the quantum theory of radiation. Dirac's work was seen as crucially important to the emerging field of quantum mechanics; it dealt directly with the process in which "particles" are actually created: spontaneous emission. Dirac described the quantization of the electromagnetic field as an ensemble of harmonic oscillators with the introduction of the concept of creation and annihilation operators of particles. The theory showed that spontaneous emission depends upon the zero point energy fluctuations of the electromagnetic field in order to get started. In a process in which a photon is annihilated (absorbed), the photon can be thought of as making a transition into the vacuum state. Similarly, when a photon is created (emitted), it is occasionally useful to imagine that the photon has made a transition out of the vacuum state. In the words of Dirac:

The light quantum has the peculiarity that it apparently ceases to exist when it is in one of its stationary states, namely, the zero state, in which its momentum and therefore also its energy, are zero. When a light quantum is absorbed it can be considered to jump into this zero state, and when one is emitted it can be considered to jump from the zero state to one in which it is physically in evidence, so that it appears to have been created. Since there is no limit to the number of light quanta that may be created in this way, we must suppose that there are an infinite number of light quanta in the zero state

Contemporary physicists, when asked to give a physical explanation for spontaneous emission, generally invoke the zero point energy of the electromagnetic field. This view was popularized by Victor Weisskopf who in 1935 wrote:

From quantum theory there follows the existence of so called zero point oscillations; for example each oscillator in its lowest state is not completely at rest but always is moving about its equilibrium position. Therefore electromagnetic oscillations also can never cease completely. Thus the quantum nature of the electromagnetic field has as its consequence zero point oscillations of the field strength in the lowest energy state, in which there are no light quanta in space The zero point oscillations act on an electron in the same way as ordinary electrical oscillations do. They can change the eigenstate of the electron, but only in a transition to a state with the lowest energy, since empty space can only take away energy, and not give it up. In this way spontaneous radiation arises as a consequence of the existence of these unique field strengths corresponding to zero point oscillations. Thus spontaneous radiation is induced radiation of light quanta produced by zero point oscillations of empty space

This view was also later supported by de (1948), who argued that spontaneous emission "can be thought of as forced emission taking place under the action of the fluctuating field". This new theory, which Dirac coined quantum electrodynamics (QED), predicted a fluctuating zero point or "vacuum" field existing even in the absence of sources. Throughout the 1940s improvements in microwave technology made it possible to take more precise measurements of the shift of the levels of a hydrogen atom, now known as the Lamb shift, and measurement of the magnetic moment of the electron. Discrepancies between these experiments and Dirac's theory led to the idea of incorporating renormalisation into QED to deal with zero point infinities. Renormalization was originally developed by Hans Kramers and also Victor Weisskopf (1936), and first successfully applied to calculate a finite value for the Lamb shift by Hans Bethe (1947). As per spontaneous emission, these effects can in part be understood with interactions with the zero point field. But in light of renormalisation being able to remove some zero point infinities from calculations, not all physicists were comfortable attributing zero point energy any physical meaning, viewing it instead as a mathematical artifact that might one day be eliminated. In Wolfgang Pauli's 1945 Nobel lecture he made clear his opposition to the idea of zero point energy stating "It is clear that this zero point energy has no physical reality". In 1948 Hendrik Casimir showed that one consequence of the zero point field is an attractive force between two uncharged, perfectly conducting parallel plates, the so called Casimir effect. At the time, Casimir was studying the properties of colloidal solutions. These are viscous materials, such as paint and mayonnaise, that contain micron sized particles in a liquid matrix. The properties of such solutions are determined by Van der Waals forces – short range, attractive forces that exist between neutral atoms and molecules. One of Casimir's colleagues, Theo Overbeek, realized that the theory that was used at the time to explain Van der Waals forces, which had been developed by Fritz London in 1930, did not properly explain the experimental measurements on colloids. Overbeek therefore asked Casimir to investigate the problem. Working with Dirk Polder, Casimir discovered that the interaction between two neutral molecules could be correctly described only if the fact that light travels at a finite speed was taken into account. Soon afterwards after a conversation with Bohr about zero point energy, Casimir noticed that this result could be interpreted in terms of vacuum fluctuations. He then asked himself what would happen if there were two mirrors – rather than two molecules – facing each other in a vacuum. It was this work that led to his famous prediction of an attractive force between reflecting plates. The work by Casimir and Polder opened up the way to a unified theory of van der Waals and Casimir forces and a smooth continuum between the two phenomena. This was done by Lifshitz (1956) in the case of plane parallel dielectric plates. The generic name for both van der Waals and Casimir forces is dispersion forces, because both of them are caused by dispersions of the operator of the dipole moment. The role of relativistic forces becomes dominant at orders of a hundred nanometers. In 1951 Herbert Callen and Theodore Welton proved the quantum fluctuation dissipation theorem (FDT) which was originally formulated in classical form by Nyquist (1928) as an explanation for observed Johnson noise in electric circuits. The fluctuation dissipation theorem showed that when something dissipates energy, in an effectively irreversible way, a connected heat bath must also fluctuate. The fluctuations and the dissipation go hand in hand; it is impossible to have one without the other. The implication of FDT being that the vacuum could be treated as a heat bath coupled to a dissipative force and as such energy could, in part, be extracted from the vacuum for potentially useful work. FDT has been shown to be true experimentally under certain quantum, non classical, conditions. In 1963 the Jaynes–Cummings model was developed describing the system of a two level atom interacting with a quantized field mode (i. e. the vacuum) within an optical cavity. It gave nonintuitive predictions such as that an atom's spontaneous emission could be driven by field of effectively constant frequency (Rabi frequency). In the 1970s experiments were being performed to test aspects of quantum optics and showed that the rate of spontaneous emission of an atom could be controlled using reflecting surfaces. These results were at first regarded with suspicion in some quarters: it was argued that no modification of a spontaneous emission rate would be possible, after all, how can the emission of a photon be affected by an atom's environment when the atom can only "see" its environment by emitting a photon in the first place? These experiments gave rise to cavity quantum electrodynamics (CQED), the study of effects of mirrors and cavities on radiative corrections. Spontaneous emission can be suppressed (or "inhibited") or amplified. Amplification was first predicted by Purcell in 1946 (the Purcell effect) and has been experimentally verified. This phenomenon can be understood, partly, in terms of the action of the vacuum field on the atom.

Атомдық физика

Кванттық гармоникалық тербелісші және оған байланысты энергия тұжырымы атомға немесе атомдық емес бөлшекке қатысты болуы мүмкін. Қарапайым атом физикасында нөлдік нүкте энергиясы – жүйенің негізгі күйіне байланысты энергия. Кәсіби физика әдебиетінде жиілік, жоғарыда ν деп белгіленгендей, көбінесе бұрыштық жиілік ω арқылы өлшенді, ол былай анықталады. Бұл Планк тұрақтысын h санын жоғарғы жағынан сызықталған (ħ) күйінде жазу дәстүріне әкеледі. Кванттық механика тұрғысынан, нөлдік нүкте энергиясы – жүйенің негізгі күйіндегі Гамильтон операторының күтілетін мәні. Егер бірнеше негізгі күйлер болса, олар дегенеративті деп аталады. Көптеген жүйелерде дегенеративті негізгі күйлер болады. Дегенерация, егер жүйенің Гамильтон операторымен коммутациялайтын және негізгі күйге әсер ететін бірлік оператор болса, пайда болады. Термодинамиканың үшінші заңына сәйкес, абсолюттік нөл температурасындағы жүйе өзінің негізгі күйінде болады; демек, оның энтропиясы негізгі күйдің дегенерациясымен анықталады. Көптеген жүйелер, мысалы, мінсіз кристалл тор, бірегей негізгі күйге ие және сондықтан абсолюттік нөлде энтропиясы нөлге тең. Сонымен қатар, ең жоғары қозу күйі теріс температура көрсететін жүйелер үшін абсолюттік нөл температурасына ие болуы мүмкін. Бір өлшемді құдық ішіндегі бөлшектің негізгі күйінің толқындық функциясы – құдық шектерінде нөлге дейін төмендейтін жарты кезеңді синусоида. Бөлшектің энергиясы былай беріледі: мұнда h – Планк тұрақтысы, m – бөлшектің массасы, n – энергия күйі (негізгі күй энергиясына сәйкес келеді), ал L – құдық ені.

Кванттық өріс теориясы

Кванттық өріс теориясында (QFT) "бос" кеңістіктің құрылымы өрістерден тұратын, кеңістіктегі және уақыттағы әрбір нүктедегі өріс кванттық гармоникалық осциллятор болып, жақын орналасқан осцилляторлар бір-бірімен өзара әрекеттесетіндей көрінеді. QFT бойынша, ғалам материя өрістерінен тұрады, олардың кванттары фермиондар (мысалы, электрондар мен кварктар), күш өрістері, олардың кванттары бозондар (мысалы, фотондар мен глюондар) және Хиггс өрісі, оның кванты Хиггс бозоны болып табылады. Материя және күш өрістерінің нөлдік энергиясы бар. Бұл терминмен байланысты нөлдік нүкте өрісі (ZPF) деп аталады, ол белгілі бір өрістің ең төменгі энергиялық күйі. Вакуумды бос кеңістік ретінде емес, барлық нөлдік нүкте өрістерінің комбинациясы ретінде қарастыруға болады. QFT-де вакуум күйінің нөлдік нүктелік энергиясы вакуум энергиясы деп аталады, ал Гамильтонның орташа күтілетін мәні вакуум күтілетін мәні деп аталады (оны конденсат немесе жай ғана VEV деп те атайды). QED вакуумы – вакуум күйінің кванттық электродинамикамен (мысалы, фотондар, электрондар мен вакуум арасындағы электромагниттік өзара әрекеттесу) және QCD вакуумы кванттық хромодинамикамен (мысалы, кварктар, глюондар мен вакуум арасындағы түс зарядтарының өзара әрекеттесуі) айналысатын бөлігі. Жақындағы тәжірибелер бөлшектердің өзі кванттық вакуумның қозған күйі ретінде қарастырылуы мүмкін екенін және материяның барлық қасиеттері нөлдік нүкте өрісімен өзара әрекеттесуден туындайтын вакуумдық флуктуациялар екенін көрсетеді. Кез келген шекті көлемдегі нөлдік нүкте энергиясын есептеу үшін кеңістіктің әрбір нүктесі үлес қосады, нәтижесінде шексіз нөлдік нүкте энергиясы шығады; бұл кванттық өріс теорияларын түсіну үшін қайта нормалаудың қажеттілігінің бір себебі. Космологияда вакуум энергиясы космологиялық тұрақтының және қараңғы энергияның мүмкін түсіндірмесі болып табылады. Бұл энергия жүйеден шығып кетеді. Сондықтан, тағы да, кесуге рұқсат етіледі, тіпті қажет. Мұндағы мәселе тұрақтылыққа байланысты, өйткені өте жоғары энергиялы кванттар масса көзі ретінде әрекет етеді және кеңістік-уақыт геометриясын қисайта бастайды. Бұл екінші сұраққа әкеледі. Дивергентті немесе емес, шекті немесе шексіз, нөлдік нүкте энергиясы физикалық мағынаға ие ме? Барлық практикалық есептеулер үшін нөлдік нүкте энергиясын елемеу жиі ұсынылады. Мұның себебі энергиялар әдетте кездейсоқ деректер нүктесімен емес, деректер нүктелерінің өзгеруімен анықталады, сондықтан тұрақтыны қосу немесе алып тастау (шегі шексіз болса да) рұқсат етілуі керек. Алайда, бұл толық картина емес, шын мәнінде энергия соншалықты ерікті түрде анықталмайды: жалпы салыстырмалылық теориясында кеңістік-уақыттың қисықтығының себебі энергияның мөлшері болып табылады және энергияның абсолютті мөлшері нақты физикалық мағынаға ие. Өрістік энергия тығыздығының кездейсоқ қосымша тұрақтысы болуы мүмкін емес. Энергия тығыздығы кеңістікті қисайтады және энергия тығыздығының артуы қисықтықтың артуына әкеледі. Сонымен қатар, нөлдік нүкте энергиясы тығыздығының басқа да физикалық салдары бар, мысалы, Казимир эффектісі, Лэмб ығысуына үлес қосу немесе электрондардың аномальды магниттік моменті, бұл тек математикалық тұрақты немесе алынып тасталатын артефакт емес екенін көрсетеді.

In quantum field theory (QFT), the fabric of "empty" space is visualized as consisting of fields, with the field at every point in space and time being a quantum harmonic oscillator, with neighboring oscillators interacting with each other. According to QFT the universe is made up of matter fields whose quanta are fermions (e. g. electrons and quarks), force fields whose quanta are bosons (i. e. photons and gluons) and a Higgs field whose quantum is the Higgs boson. The matter and force fields have zero point energy. A related term is zero point field (ZPF), which is the lowest energy state of a particular field. The vacuum can be viewed not as empty space, but as the combination of all zero point fields. In QFT the zero point energy of the vacuum state is called the vacuum energy and the average expectation value of the Hamiltonian is called the vacuum expectation value (also called condensate or simply VEV). The QED vacuum is a part of the vacuum state which specifically deals with quantum electrodynamics (e. g. electromagnetic interactions between photons, electrons and the vacuum) and the QCD vacuum deals with quantum chromodynamics (e. g. color charge interactions between quarks, gluons and the vacuum). Recent experiments advocate the idea that particles themselves can be thought of as excited states of the underlying quantum vacuum, and that all properties of matter are merely vacuum fluctuations arising from interactions with the zero point field. Each point in space makes a contribution of , resulting in a calculation of infinite zero point energy in any finite volume; this is one reason renormalization is needed to make sense of quantum field theories. In cosmology, the vacuum energy is one possible explanation for the cosmological constant and the source of dark energy. these will leak out of the system. So again a cut off is permissible, almost necessary. The question here becomes one of consistency since the very high energy quanta will act as a mass source and start curving the geometry. This leads to the second question. Divergent or not, finite or infinite, is the zero point energy of any physical significance? The ignoring of the whole zero point energy is often encouraged for all practical calculations. The reason for this is that energies are not typically defined by an arbitrary data point, but rather changes in data points, so adding or subtracting a constant (even if infinite) should be allowed. However this is not the whole story, in reality energy is not so arbitrarily defined: in general relativity the seat of the curvature of spacetime is the energy content and there the absolute amount of energy has real physical meaning. There is no such thing as an arbitrary additive constant with density of field energy. Energy density curves space, and an increase in energy density produces an increase of curvature. Furthermore, the zero point energy density has other physical consequences e. g. the Casimir effect, contribution to the Lamb shift, or anomalous magnetic moment of the electron, it is clear it is not just a mathematical constant or artifact that can be cancelled out.

Кванттық хромодинамикалық вакуум

QCD вакуумы – кванттық хромодинамиканың (QCD) вакуумдық күйі. Бұл кварктарды қамтитын толық теориядағы глюон конденсаты және кварк конденсаты сияқты нөлдік емес конденсаттармен сипатталатын, бұрынғы вакуумдық күйдің мысалы. Осы конденсаттардың болуы кварк материясының құлыптау фазасын көрсетеді. Техникалық тұрғыдан алғанда, глюондар – кванттық хромодинамикада (QCD) кварктардың күшті өзара әрекеттесуін қамтамасыз ететін векторлық өлшегіш бозондар. Глюондардың өзі күшті өзара әрекеттесудің түс зарядтарын тасиды. Бұл фотоннан ерекшеленеді, ол электромагниттік өзара әрекеттесуді қамтамасыз етеді, бірақ электр заряды жоқ. Сондықтан глюондар күшті өзара әрекеттесуді қамтамасыз етумен қатар оған қатысады, бұл QCD-ді QED-ге (кванттық электродинамикаға) қарағанда талдауды күрделендіреді, себебі ол мұндай өзара әрекеттесулерді сипаттау үшін сызықтық емес теңдеулерді қолданады.

Хиггс өрісі

Стандартты модель Хиггс өрісі деп аталатын өрісті (символ: ϕ) гипотезалайды, ол қайта нормалаудан кейін негізгі күйдегі (нөлдік нүктедегі) энергиясында нөлдік емес амплитуданың ерекше қасиетіне ие; яғни нөлдік емес вакуумдық күту мәніне ие. Бұл эффект оның ерекше "мексикалық шляпа" пішіндес потенциалының ең төменгі "нүктесі" оның "орталығында" болмауына байланысты болуы мүмкін. Белгілі бір өте жоғары энергия деңгейінен төмен, осы нөлдік емес вакуумдық күту мәнінің болуы электрожұқ және әлсіз өзара әрекеттесу симметриясын спонтанды түрде бұзады, бұл өз кезегінде Хиггс механизмін тудырады және өріспен өзара әрекеттесетін бөлшектердің масса алуына себеп болады. Хиггс механизмі зарядталған өріс вакуумдық күту мәніне ие болғанда пайда болады. Бұл эффект Хиггс өрісінің скалярлық компоненттерінің массивті бозондардың еркіндік дәрежелері ретінде "жіңілуіне" және Юкава байланысы арқылы фермиондармен байланысуына әкеледі, соның нәтижесінде күтілетін массалық мүшелер пайда болады. ϕ^(0) -тің негізгі күйдегі күту мәні (вакуумдық күту мәні немесе VEV) шамамен 246 тең, онда . Бұл параметрдің өлшенген мәні масса бірліктерінде беріледі және Стандартты модельдің өлшемсіз емес жалғыз еркін параметрі болып табылады. Хиггс механизмі – вакуумда болатын суперөткізгіштіктің бір түрі. Бұл кеңістіктің барлығы зарядталған бөлшектердің теңізімен толтырылған кезде пайда болады, осылайша өріс нөлдік емес вакуумдық күту мәніне ие болады. Ғарышты толтыратын вакуумдық энергиямен өзара әрекеттесу белгілі бір күштердің ұзақ қашықтыққа таралуына кедергі келтіреді (мысалы, суперөткізгіш ортада; мысалы, Гинцбург-Ландау теориясында).

Эксперименттік байқаулар

Нөлдік нүкте энергиясының көптеген байқалатын физикалық салдары бар. Нөлдік нүкте энергиясының математикалық формализмнің жасанды туындысы емес екенін атап өту маңызды, мысалы, энергияның нөлін қайта анықтау арқылы немесе оның тұрақты екенін дәлелдеу арқылы Гамильтондықтан алынып тастауға болады, бұл Гейзенбергтің қозғалыс теңдеулеріне кейіннен әсер етпейді. Шындығында, мұндай қарастыру әлі ашылмаған терең теорияда мәселе тудыруы мүмкін. Мысалы, жалпы салыстырмалылық теориясында энергияның нөлдік деңгейі (яғни вакуумның энергия тығыздығы) Эйнштейннің өріс теңдеулеріне статикалық шешімдер алу үшін енгізген космологиялық тұрақтыға үлес қосады. Барлық кванттық өрістерге байланысты вакуумның нөлдік энергия тығыздығы, тіпті физикалық негіздемелерге сүйене отырып, ең жоғары рұқсат етілген жиіліктерді шектеген кезде де өте зор. Бұл бақылаулармен белгіленген шектен шамамен 120 есе артық космологиялық тұрақтыны білдіреді. Бұл "космологиялық тұрақты мәселесі" физиканың ең үлкен шешілмеген сырларының бірі болып қала береді.

Казимир эффектісі

Вакуумдағы нөлдік нүкте энергиясының бар екендігіне дәлел ретінде жиі ұсынылатын құбылыс – 1948 жылы голландиялық физик Хендрик Казимир ұсынған Казимир эффектісі. Ол екі заземделген, бейтарап металл пластиналар арасындағы квантталған электромагниттік өрісті қарастырды. Вакуум энергиясы пластиналар арасындағы арақашықтықпен шектелмеген барлық толқын ұзындықтарынан тұрады. Пластиналар жақындаған сайын, көбірек толқын ұзындықтары шектеліп, вакуум энергиясы төмендейді. Энергияның төмендеуі пластиналар қозғалғанда оларға әсер ететін күш болуын білдіреді. 1950 жылдардан бастап жасалған алғашқы эксперименттік сынақтар күштің нақты екенін көрсетті, бірақ басқа сыртқы факторларды басты себеп ретінде толығымен жоққа шығару мүмкін болмады, ал эксперименттік қателік диапазоны кейде 100%-ға жуық болатын. Бұл 1997 жылы Ламорео Казимир күшінің нақты екенін нақты көрсеткенде өзгерді. Содан бері нәтижелер көп рет қайталанды. 2009 жылы Мундей және авторлар тобы 1961 жылы болжалғандай, Казимир күшінің тартымды болумен қатар, сондай-ақ кері күшке ие екенін дәлелдейтін эксперименттік мәліметтер жариялады. Казимирдің кері күші сұйықтықтағы заттардың кванттық левитациясына мүмкіндік береді және өте төмен статикалық үйкеліске ие, ауыстырылатын наноөлшемді құрылғылардың жаңа класына әкелуі мүмкін. Казимир эффектісінің қызықты гипотетикалық қосалқы әсері – Шарнхорст эффектісі, бұл екі жақын орналасқан өткізгіш пластиналар арасында жарық сигналдарының c жылдамдығынан сәл жылдам жүретінін болжайтын құбылыс.

Қой ауысуы

Электромагниттік өрістің кванттық құбылыстары маңызды физикалық салдарларға алып келеді. Казимир эффектісінен басқа, олар сутек атомының екі энергия деңгейі (терминдік символдармен белгіленген) арасындағы айырмашылыққа да себеп болады, бұл Дирак теңдеуімен болжанбаған, онда бұл күйлердің энергиясы бірдей болуы керек еді. Зарядталған бөлшектер кванталған вакуум өрісінің құбылыстарымен өзара әрекеттесе алады, нәтижесінде энергияда шамалы өзгерістер пайда болады; бұл эффект Лэмб жылжуы деп аталады. Шамамен 4,38-ге тең жылжу, 1s және 2s деңгейлерінің энергиясы арасындағы айырманың e=7-ге жуық бөлігін құрайды және жиілік бірліктерінде 1,058 МГц-қа тең. Бұл жылжудың шағын бөлігі (27 МГц ≈ 3%) электромагниттік өрістің құбылыстарынан емес, электрон-позитрон өрісінің құбылыстарынан туындайды. (Виртуалды) электрон-позитрон жұптарының пайда болуы Кулон өрісін қорғау эффектін тудырады және вакуумдық диэлектрлік тұрақты ретінде әрекет етеді. Бұл эффект мюондық атомдарда әлдеқайда маңыздырақ.

Вакуумдық қос бұзылу

Қатты электростатикалық өрістердің болуы кезінде виртуалды бөлшектер вакуумдық күйден бөлініп, нақты материяны құрайды деп болжанады. Электромагниттік сәулеленудің материяға айналуы және кері процестер кванттық электродинамиканың түбегейлі жаңа ерекшеліктеріне алып келеді. Ең маңызды салдары – тіпті вакуумда Максвелл теңдеулері күрделі формулалармен алмастырылуы керек. Жалпы алғанда, вакуумдағы процестерді материямен байланысты процестерден бөліп қарастыру мүмкін емес, себебі электромагниттік өрістер, өріс тербелістері жеткілікті күшті болған жағдайда, материяны жасай алады. Бұл өте күрделі сызықтық емес өзара әрекеттесуге әкеледі, яғни гравитация жарыққа әсер етеді, сонымен бірге жарық гравитацияға әсер етеді. Бұл әсерлерді алғаш рет 1936 жылы Вернер Гейзенберг пен Ханс Генрих Эйлер, ал сол жылы тәуелсіз түрде Виктор Вайскопф болжаған. Вайскопф: «Вакуумның физикалық қасиеттері материяның «нөлдік нүкте энергиясынан» туындайды, ол сыртқы өріс күштері арқылы жоқ бөлшектерге де байланысты, сондықтан таза Максвелл өрісінің энергиясына қосымша мүше қосады» деп мәлімдеген. Осылайша, күшті магниттік өрістер вакуумдағы энергияны өзгертеді. Электромагниттік өрістің сызықтық емес болатыны күтілетін деңгей Швингер шегі деп аталады. Осы деңгейде вакуум екі сынулы ортаның барлық қасиеттерін иеленеді, сондықтан поляризация жазықтығының бұрылуын (Фарадей эффектісі) бос кеңістікте байқауға болады. Эйнштейннің арнайы және жалпы салыстырмалылық теориясы жарықтың вакуум арқылы өзгеріске ұшырамастан еркін өтуі керек екенін көрсетеді, бұл Лоренц инварианттылығы деп аталатын принцип. Алайда, теориялық тұрғыдан алғанда, кванттық тербелістерге байланысты жарықтың үлкен сызықтық емес өзіндік әрекеттесуі, егер өзара әрекеттесу жеткілікті күшті болса, осы принциптің өлшенетіндей бұзылуына әкелуі мүмкін. Кванттық гравитацияның дерлік барлық теориясы Лоренц инварианттылығының табиғатта абсолютті симметрия емес екенін болжайды. Жарықтың вакуум арқылы жүру жылдамдығы оның бағытына, поляризациясына және магнит өрісінің жергілікті күшіне байланысты болады деп күтілуде. Алыстағы галактикалардан келетін жарықтың поляризация жазықтығының бұрылуын анықтау арқылы Лоренц бұзылуын көрсетуге тырысқан бірнеше нәтижелер алынған, бірақ олардың нәтижелері нақты емес. Вакуумдық екі сынуға қатысты алғашқы нақты дәлел 2017 жылы жарияланды, онда астрономдар тобы Жерге ең жақын орналасқан нейтронды жұлдыз RX J1856.5-3754-тен келетін жарықты зерттеді. Милан қаласындағы Ұлттық астрофизика институтындағы астрономдар тобын басқарған Роберто Миньяни: «Эйнштейн 100 жыл бұрын жалпы салыстырмалылық теориясын жасағанда, оның теориясы навигациялық жүйелерде қолданылатынын білмеген. Бұл жаңалықтың салдары да ұзақ мерзімде көрінетін болады» деді. Команда жұлдыздан келетін көзге көрінетін жарықтың шамамен 16%-ға сызықтық поляризацияға ұшырағанын анықтады. Егер екі сыну жұлдызаралық газ немесе плазма арқылы жарық өтуден туындаса, әсер 1%-дан аспауы керек еді. Нақты дәлелдер алу үшін бақылауларды басқа толқын ұзындықтарында және басқа нейтронды жұлдыздарда қайталау қажет. Рентгендік толқын ұзындығында кванттық тербелістердің поляризациясы 100%-ға жуық болуы керек. Қазіргі уақытта мұндай өлшеулерді жасай алатын телескоптар жоқ, бірақ Қытайдың Қиын рентгендік модуляциялық телескопы (HXMT) және НАСА-ның Рентгендік поляриметриялық зерттеушісі (IXPE) сияқты бірнеше ұсынылған рентгендік телескоптар осы нәтижені жақын арада нақтылай алуы мүмкін.

In the presence of strong electrostatic fields it is predicted that virtual particles become separated from the vacuum state and form real matter. The fact that electromagnetic radiation can be transformed into matter and vice versa leads to fundamentally new features in quantum electrodynamics. One of the most important consequences is that, even in the vacuum, the Maxwell equations have to be exchanged by more complicated formulas. In general, it will be not possible to separate processes in the vacuum from the processes involving matter since electromagnetic fields can create matter if the field fluctuations are strong enough. This leads to highly complex nonlinear interaction gravity will have an effect on the light at the same time the light has an effect on gravity. These effects were first predicted by Werner Heisenberg and Hans Heinrich Euler in 1936 and independently the same year by Victor Weisskopf who stated: "The physical properties of the vacuum originate in the "zero point energy" of matter, which also depends on absent particles through the external field strengths and therefore contributes an additional term to the purely Maxwellian field energy". Thus strong magnetic fields vary the energy contained in the vacuum. The scale above which the electromagnetic field is expected to become nonlinear is known as the Schwinger limit. At this point the vacuum has all the properties of a birefringent medium, thus in principle a rotation of the polarization frame (the Faraday effect) can be observed in empty space. Both Einstein's theory of special and general relativity state that light should pass freely through a vacuum without being altered, a principle known as Lorentz invariance. Yet, in theory, large nonlinear self interaction of light due to quantum fluctuations should lead to this principle being measurably violated if the interactions are strong enough. Nearly all theories of quantum gravity predict that Lorentz invariance is not an exact symmetry of nature. It is predicted the speed at which light travels through the vacuum depends on its direction, polarization and the local strength of the magnetic field. There have been a number of inconclusive results which claim to show evidence of a Lorentz violation by finding a rotation of the polarization plane of light coming from distant galaxies. The first concrete evidence for vacuum birefringence was published in 2017 when a team of astronomers looked at the light coming from the star RX J1856.5 3754, the closest discovered neutron star to Earth. Roberto Mignani at the National Institute for Astrophysics in Milan who led the team of astronomers has commented that "When Einstein came up with the theory of general relativity 100 years ago, he had no idea that it would be used for navigational systems. The consequences of this discovery probably will also have to be realised on a longer timescale." The team found that visible light from the star had undergone linear polarisation of around 16%. If the birefringence had been caused by light passing through interstellar gas or plasma, the effect should have been no more than 1%. Definitive proof would require repeating the observation at other wavelengths and on other neutron stars. At X ray wavelengths the polarization from the quantum fluctuations should be near 100%. Although no telescope currently exists that can make such measurements, there are several proposed X ray telescopes that may soon be able to verify the result conclusively such as China's Hard X ray Modulation Telescope (HXMT) and NASA's Imaging X ray Polarimetry Explorer (IXPE).

Қара энергия

Неге вакуумның үлкен нөлдік энергиясы үлкен космологиялық тұрақтыға алып келмейді? Оны не жояды? Бұл болжамның бір қиындығы – вакуумның нөлдік энергиясы байқалатын космологиялық тұрақтыдан әлдеқайда үлкен. Бұл мәселе космологиялық тұрақты мәселесі деп аталады және физикадағы ең үлкен шешілмеген сырлардың бірі болып табылады. 2023 жылдың 1 шілдесінде ұшырылған Еуропалық ғарыш агенттігінің «Евклид» телескопы 10 миллиард жарық жылы қашықтықтағы галактикаларды картаға түсіреді. Қара энергияның олардың орналасуы мен пішініне қалай әсер ететінін бақылау арқылы ғалымдар қара энергияның күші өзгергенін анықтай алады. Егер қара энергияның уақыт өте келе өзгеретіні анықталса, онда бұл оның квинтессенцияға байланысты екенін көрсетеді, яғни байқалатын үдеу космологиялық тұрақты емес, скалярлық өрістің энергиясынан туындайды. Квинтессенцияның нақты дәлелі әлі табылмаған, бірақ оны жоққа шығаруға да болмайды. Ол ғаламның кеңеюінің үдеуі космологиялық тұрақтыға қарағанда сәл баяу болады деп болжайды. Кейбір ғалымдар үшін квинтессенцияға ең сенімді дәлел Эйнштейннің эквиваленттілік принципінің бұзылуы және кеңістікте немесе уақыттағы негізгі тұрақтылардың өзгеруі болар еді. Скалярлық өрістер бөлшектер физикасының стандартты моделінде және іс тізбектік теориясында болжанады, бірақ космологиялық тұрақты мәселесіне (немесе космологиялық инфляция модельдерін құру мәселесіне) ұқсас мәселе туындайды: қайта нормализациялау теориясы скалярлық өрістердің нөлдік энергияға байланысты қайтадан үлкен массаға ие болады деп болжайды.

Космикалық инфляция

Космикалық инфляция – Ұлы жарылыстан кейін ғарыштың үдемелі кеңею кезеңі. Ол ғаламның ірі масштабты құрылымының қалыптасуын түсіндіреді. Микроскопиялық инфляциялық кезеңде нөлдік нүктелік энергияның нәтижесінде туған кванттық вакуумдық флуктуациялар кейіннен ғарыштық масштабқа дейін ұлғайып, галактикалар мен Ғалам құрылымының гравитациялық тұқымдарына айналды (галактикалардың қалыптасуы мен эволюциясын және құрылымның қалыптасуын қараңыз). Көптеген физиктер инфляция ғаламның барлық бағытта бірдей көрінуінің (изотроптық) себебін, ғарыштық микротолқынды сәулеленудің тең таралуын, ғаламның жазық болуын және магниттік монопольдердің байқалмауын түсіндіреді деп санайды. Инфляция механизмі белгісіз, оның әсері қара энергияға ұқсас, бірақ одан әлдеқайда күшті әрі қысқа мерзімді процесс. Қара энергия сияқты, ең жақсы түсінік – кванттық флуктуациялардан туған вакуум энергиясының бір түрі. Инфляция барйогенезді, яғни өте ерте ғаламда бариондар мен антибариондар арасындағы асимметрияны (тепе-теңсіздікті) тудырған гипотетикалық физикалық процестерді тудырған болуы мүмкін, бірақ бұл әлі нақты емес.

Космология

Пол С. Вессон нөлдік нүкте энергиясының нақты екендігін қабылдаудың космологиялық салдарларын қарастырды. Көптеген қиындықтардың арасында, жалпы салыстырмалылық теориясы мұндай энергияның гравитациялық әсерге ие болмауын талап етеді, демек ол электромагниттік сәулелену сияқты болмайды.

Альтернативті теориялар

Кванттық вакуумдық өрістердің нөлдік нүктедегі ауытқуларының "нақты" екендігі, яғни олардың бірдей жарамды альтернативті теориямен түсіндірілмейтін физикалық әсерлері бар ма деген мәселеде ұзақ пікірталас жүрді. Швингер, әсіресе, өзінің "көз теориясы" арқылы нөлдік нүктедегі ауытқуларға сілтеме жасамай QED-ді құруға тырысты. Мұндай тәсілмен құбылмалы өріске сілтеме жасамай Казимир әсерін алуға болады. Мұндай туындыны алғаш рет Швингер (1975) скалярлық өріс үшін берді, ал кейін Швингер, ДеРаад және Милтон (1978) электромагниттік жағдайға қатысты жалпылады. Олар "вакуумды барлық физикалық қасиеттері нөлге тең болатын нағыз күй ретінде қарастырады" деді. Соңғы кезде Жаффе (2005) Казимир әсерін туындытуда ұқсас тәсілді атап өтті, "нөлдік нүктедегі ауытқулар туралы ұғым Казимир әсерін сипаттауда эвристикалық және есептеулік көмекші құрал болып табылады, бірақ QED-де қажеттілік емес" деді. Дегенмен, Жаффе өзінің мақаласында "ешкім көз теориясының немесе басқа S-матрицаға негізделген тәсілдің QED-ді барлық реттерге толық сипаттай алатынын көрсетпеді" деп атап өтті. Бұдан әрі, Милонни QED-дің формальды дұрыстығы үшін вакуумдық өрістің қажеттілігін көрсетті. QCD-де түспен шектелу физиктерді күшті өзара әрекеттесулер үшін көз теориясынан немесе S-матрицаға негізделген тәсілден бас тартуға мәжбүр етті. Хиггс механизмі, Хокинг сәулесі және Унрух эффектісі де нөлдік нүктедегі вакуумдық ауытқуларға тәуелді болып саналады, өріс үлесі осы теориялардың ажырамас бөлігі болып табылады. Жаффе былай деді: "Егер кванттық вакуум энергиясына нөлдік нүктелік үлесті жоққа шығара алсақ та, спонтанды симметрия бұзу мәселесі күшінде қалады: энергияны тасымалдайтын конденсаттар [негізгі күйдегі вакуум] Стандартты модельде көптеген энергия деңгейлерінде пайда болады. Сондықтан кванттық өріс теориясының стандартты тұжырымдамасынан және онымен бірге келетін нөлдік нүктелік энергиялардан қашуға тырысуға күмәндануға жеткілікті себеп бар". Өрістік теорияларға тән шексіз нөлдік нүктелік энергиялардың физикалық шындығын бағалау қиын, бірақ қазіргі физика нөлдік нүктелік энергиясыз өлшеуге инвариантты, қайта нормаланатын теорияларды құрудың жақсы жолын білмейді және олар біртілді теорияға кез келген әрекет үшін қажеттілік болып көрінеді.

There has been a long debate over the question of whether zero point fluctuations of quantized vacuum fields are "real" i. e. do they have physical effects that cannot be interpreted by an equally valid alternative theory? Schwinger, in particular, attempted to formulate QED without reference to zero point fluctuations via his "source theory". From such an approach it is possible to derive the Casimir Effect without reference to a fluctuating field. Such a derivation was first given by Schwinger (1975) for a scalar field, and then generalized to the electromagnetic case by Schwinger, DeRaad, and Milton (1978). in which they state "the vacuum is regarded as truly a state with all physical properties equal to zero". More recently Jaffe (2005) has highlighted a similar approach in deriving the Casimir effect stating "the concept of zero point fluctuations is a heuristic and calculational aid in the description of the Casimir effect, but not a necessity in QED." Nevertheless, as Jaffe himself notes in his paper, "no one has shown that source theory or another S matrix based approach can provide a complete description of QED to all orders." Furthermore, Milonni has shown the necessity of the vacuum field for the formal consistency of QED. In QCD, color confinement has led physicists to abandon the source theory or S matrix based approach for the strong interactions. The Higgs mechanism, Hawking Radiation and the Unruh effect are also theorized to be dependent on zero point vacuum fluctuations, the field contribution being an inseparable parts of these theories. Jaffe continues "Even if one could argue away zero point contributions to the quantum vacuum energy, the problem of spontaneous symmetry breaking remains: condensates [ground state vacua] that carry energy appear at many energy scales in the Standard Model. So there is good reason to be skeptical of attempts to avoid the standard formulation of quantum field theory and the zero point energies it brings with it." It is difficult to judge the physical reality of infinite zero point energies that are inherent in field theories, but modern physics does not know any better way to construct gauge invariant, renormalizable theories than with zero point energy and they would seem to be a necessity for any attempt at a unified theory.

Хаотикалық және пайда болатын құбылыстар

Классикалық электромагнетизмде, кванттық электродинамикада (QED) және Стандартты модельде қолданылатын математикалық модельдер электромагниттік вакуумды жалпы байқалатын салдары жоқ сызықтық жүйе ретінде қарастырады. Мысалы, Казимир эффектісі, Лэмб ауысуы сияқты құбылыстарды вакуумның әрекетінен өзге, өрістік операторлардың қалыпты ретін кездейсоқ өзгерту арқылы түсіндіруге болады. Баламалы теориялар бөлімін қараңыз. Бұл электромагнетизмді U(1) гаузерлік теориясы ретінде қараудың салдары, ол топологиялық тұрғыдан өрістің өзіне-өзі күрделі өзара әрекеттесуіне жол бермейді. Жоғары симметриялы топтарда және шындығында, вакуум тыныш, кездейсоқ ауытқуы, негізінен материалдық емес және пассивті зат емес, кейде күрделі орамдары (яғни, бөлшектерге қатысты солитон), түйіскен күйлері және бай сызықтық емес құрылымы бар турбулентті виртуалды плазма ретінде қарастырылуы мүмкін. Ахаронов-Бом (AB) және Альтшулер-Аронов-Спивак (AAS) эффектілері, Берри, Ахаронов-Анандан, Панчаратнам және Чьяо-У фазалық айналу эффектілері, Джозефсон эффектісі, Кванттық Холл эффектісі, Де Хаас-Ван Альфен эффектісі, Сагнак эффектісі және басқа да көптеген физикалық байқалатын құбылыстар электромагниттік потенциалдық өрістің нақты физикалық мәні бар екенін көрсетеді, математикалық артефакт емес. Сондықтан, толыққанды теория электромагнетизмді жергілікті күш ретінде шектемейді, бірақ SU(2) гаужерлік теориясы немесе жоғары геометрия ретінде қарастырады. Жоғары симметриялар сызықтық емес, кезеңсіз мінез-құлыққа мүмкіндік береді, ол сызықтық U(1) теориясында пайда болмайтын күрделі тепе-теңдік емес құбылыстардың әртүрлілігі ретінде көрінеді, мысалы, бірнеше тұрақты күйлер, симметрияны бұзу, хаос және пайда болу. Бүгінгі күні Максвелл теңдеулері деп аталатындар Хевисайд, Фицджеральд, Лодж және Герц қайта жасаған бастапқы теңдеулердің оңайлатылған нұсқасы. Бастапқы теңдеулер Гамильтонның көбірек экспрессивті кватерниондық белгісін, Клиффорд алгебрасының бір түрін қолданды, ол қазіргі кезде кеңінен қолданылатын стандартты Максвелл векторлық теңдеулерін толық қамтиды. 1880-жылдардың аяғында векторлық талдау мен кватерниондардың салыстырмалы артықшылықтары туралы пікірталас болды. Хевисайдтың айтуынша, электромагниттік потенциалдық өріс таза метафизикалық, кездейсоқ математикалық ойдан шығарылған, оны "өлтіру" қажет болды. Егер теорияның табиғаты жергілікті болса, кватерниондар берген физикалық түсініктердің қажеттілігі жоқ деген қорытындыға келді. Жергілікті векторлық талдау Максвелл теңдеулерін қолданудың басым тәсіліне айналды. Алайда, бұл қатаң векторлық тәсіл электромагнетизмнің кейбір салаларында шектеулі топологиялық түсінікке әкелді, мысалы, Тесланың тербелісі бар шаттл контурдағы энергияны беру динамикасын толық түсіну тек кватерниондық алгебрада немесе жоғары SU(2) симметрияларда ғана мүмкін. Кватерниондар арнайы салыстырмалылық теориясымен үйлесімсіз деп жиі айтылады, бірақ бірнеше мақалалар салыстырмалылықты енгізудің жолдарын көрсетті. Сызықтық емес электромагниттің жақсы мысалы – жоғары энергиялы тығыз плазмаларда, онда термодинамиканың екінші заңын бұзатын айналдыру құбылыстары пайда болады, электромагниттік өрістегі энергия градиентін ұлғайтады және иондық тоқтар пайда болып, Максвелл заңдарын бұзады, өзінің және айналадағы магниттік өрістерін ұстап алады және шоғырландырады. Әсіресе, Максвелл теңдеулерін анықтайтын Лоренц күшінің заңы осы күшсіз айналымдармен бұзылады. Бұл бұзушылықтар классикалық және кванттық электродинамикадағы (QED) дәстүрлі сақтау заңдары тек сызықтық U(1) симметриясын көрсетеді (әсіресе, кеңейтілген Нотер теоремасы бойынша, термодинамика заңдары сияқты сақтау заңдары әрқашан диссипативтік жүйелерге қолданылмайды, олар жоғары симметрияның өлшегіштерінде көрсетіледі). Термодинамиканың екінші заңы бойынша, жабық сызықтық жүйеде энтропия ағыны тек оң болуы мүмкін (немесе циклдің соңында дәл нөл болуы мүмкін). Алайда, теріс энтропия (яғни, тәртіптің, құрылымның немесе өзін-өзі ұйымдастырудың артуы) тепе-теңдікке алыс ашық сызықтық емес термодинамикалық жүйеде өздігінен пайда болуы мүмкін, егер бұл пайда болатын тәртіп жалпы жүйедегі энтропияның жалпы ағынын жеделдететін болса. 1977 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығы термодинамик Илья Пригожинге диссипативтік жүйелердің теориясы үшін берілді, ол осы ұғымды сипаттады. Пригожин бұл қағиданы "қимыл-тебелістер арқылы тәртіп" немесе "хаостан тәртіп" деп сипаттады. Кейбір ғалымдардың пікірінше, галактикалардан бастап, күн жүйелерінен, планеталардан, ауа-райынан, күрделі химиядан, эволюциялық биологиядан, тіпті санадан, технологиядан және өркениеттерден бастап ғаламдағы барлық пайда болатын тәртіп – термодинамикалық диссипативтік жүйелердің мысалдары; табиғат осы құрылымдарды энтропия ағынын ғаламдағы ең жоғары деңгейге дейін жеделдету үшін таңдап алған. Мысалы, адам денесінің бірлік массаға шаққандағы энергияны тарату тиімділігі күннен 10 000 есе жоғары екені бағаланған. Бұл нөлдік нүктелік энергиямен қалай байланысты екенін сұрауға болады. Сызықтық емес жүйелерден туындайтын күрделі және бейімделуге қабілетті мінез-құлықты ескере отырып, соңғы жылдары абсолюттік нөлдік температурада болатын жаңа фазалық өтулер класын зерттеуге көп көңіл бөлінді. Бұл нөлдік нүктелік энергияның салдары ретінде электромагниттік өріс тербелістерімен қозғалатын кванттық фазалық өтулер. Нөлдік нүктелік тербелістерге байланысты болатын спонтанды фазалық өтудің жақсы мысалы – супепроводниктерде кездеседі. Супепроводниктік – эмпирикалық түрде сандық анықталған макроскопик электромагниттік құбылыстардың бірі, оның негізі кванттық механикалық екені мойндалады. Супепроводниктік кезінде электр және магниттік өрістердің мінез-құлқы Лондон теңдеулерімен басқарылады. Алайда, бірқатар журналдық мақалаларда кванттық механикалық қанонды Лондон теңдеулерін классикалық түрде алуға бола ма екені сұрақ туды. Мысалы, Бостик Лондон теңдеулерінің супепроводниктерге және кейбір соқтығыссыз плазмаларға да қолданылатын классикалық тегі бар екенін көрсетуге тырысқан. Әсіресе, плазма фокусындағы Бельтрами айналымдары II типтегі супепроводниктердегідей жұптасқан ағын түтік морфологиясын көрсетеді деп мәлімделді. Басқалар да осы байланысты атап көрсетті, Фрёлих судың қысылатын сұйықтықтарының гидродинамикалық теңдеулерінің Лондон теңдеулерімен бірге макроскопик параметрге ( = электр заряд тығыздығы / масса тығыздығы) әкелетінін көрсетті, кванттық фазалық факторларды немесе Планк тұрақтысын қатыстырмай. Негізінде, Бельтрами плазма айналым құрылымдары I және II типтегі супепроводниктердің морфологиясын имитациялай алады деп мәлімделді. Бұл айналым конфигурациясының "ұйымдасқан" диссипативтік энергиясы иондар мен электрондарды құрайтын "ұйымдаспаған" диссипативтік кездейсоқ жылу энергиясынан асып түсуіне байланысты. Ұйымдаспаған тербелістерден ұйымдасқан спиральді құрылымдарға өту конденсаттың энергиясындағы (яғни, негізгі күйде немесе нөлдік нүктелік энергияда) өтетін фазалық өту болып табылады, бірақ температураның өсуімен байланысты емес. Бұл нөлдік нүктелік энергияның бірнеше тұрақты күйлерінің болуының мысалы (кванттық фазалық өту, кванттық сындық нүкте, топологиялық дегенерация, топологиялық тәртіпті қараңыз) және жалпы жүйе құрылымының редукционистік немесе детерминистік көзқарасқа тәуелді емес, "классикалық" макроскопик тәртіп кванттық құбылыстарға себеп болуы мүмкін. Бұдан әрі, Бельтрами айналымдарының жұптық өндірісі вакуумдағы виртуалды бөлшектердің жұптық өндірісінің морфологиясымен салыстырылды. Вакуум энергиясының бірнеше тұрақты энергия күйлеріне ие болуы ғарыштық инфляцияның себебіне қатысты жетекші гипотеза болып табылады. Шындығында, осы ерте вакуум тербелістері...

The mathematical models used in classical electromagnetism, quantum electrodynamics (QED) and the Standard Model all view the electromagnetic vacuum as a linear system with no overall observable consequence. For example, in the case of the Casimir effect, Lamb shift, and so on these phenomena can be explained by alternative mechanisms other than action of the vacuum by arbitrary changes to the normal ordering of field operators. See the alternative theories section. This is a consequence of viewing electromagnetism as a U(1) gauge theory, which topologically does not allow the complex interaction of a field with and on itself. In higher symmetry groups and in reality, the vacuum is not a calm, randomly fluctuating, largely immaterial and passive substance, but at times can be viewed as a turbulent virtual plasma that can have complex vortices (i. e. solitons vis à vis particles), entangled states and a rich nonlinear structure. There are many observed nonlinear physical electromagnetic phenomena such as Aharonov–Bohm (AB) and Altshuler–Aronov–Spivak (AAS) effects, Berry, Aharonov–Anandan, Pancharatnam and Chiao–Wu phase rotation effects, Josephson effect, Quantum Hall effect, the De Haas–Van Alphen effect, the Sagnac effect and many other physically observable phenomena which would indicate that the electromagnetic potential field has real physical meaning rather than being a mathematical artifact and therefore an all encompassing theory would not confine electromagnetism as a local force as is currently done, but as a SU(2) gauge theory or higher geometry. Higher symmetries allow for nonlinear, aperiodic behaviour which manifest as a variety of complex non equilibrium phenomena that do not arise in the linearised U(1) theory, such as multiple stable states, symmetry breaking, chaos and emergence. What are called Maxwell's equations today, are in fact a simplified version of the original equations reformulated by Heaviside, FitzGerald, Lodge and Hertz. The original equations used Hamilton's more expressive quaternion notation, a kind of Clifford algebra, which fully subsumes the standard Maxwell vectorial equations largely used today. In the late 1880s there was a debate over the relative merits of vector analysis and quaternions. According to Heaviside the electromagnetic potential field was purely metaphysical, an arbitrary mathematical fiction, that needed to be "murdered". It was concluded that there was no need for the greater physical insights provided by the quaternions if the theory was purely local in nature. Local vector analysis has become the dominant way of using Maxwell's equations ever since. However, this strictly vectorial approach has led to a restrictive topological understanding in some areas of electromagnetism, for example, a full understanding of the energy transfer dynamics in Tesla's oscillator shuttle circuit can only be achieved in quaternionic algebra or higher SU(2) symmetries. It has often been argued that quaternions are not compatible with special relativity, but multiple papers have shown ways of incorporating relativity. A good example of nonlinear electromagnetics is in high energy dense plasmas, where vortical phenomena occur which seemingly violate the second law of thermodynamics by increasing the energy gradient within the electromagnetic field and violate Maxwell's laws by creating ion currents which capture and concentrate their own and surrounding magnetic fields. In particular Lorentz force law, which elaborates Maxwell's equations is violated by these force free vortices. These apparent violations are due to the fact that the traditional conservation laws in classical and quantum electrodynamics (QED) only display linear U(1) symmetry (in particular, by the extended Noether theorem, conservation laws such as the laws of thermodynamics need not always apply to dissipative systems, which are expressed in gauges of higher symmetry). The second law of thermodynamics states that in a closed linear system entropy flow can only be positive (or exactly zero at the end of a cycle). However, negative entropy (i. e. increased order, structure or self organisation) can spontaneously appear in an open nonlinear thermodynamic system that is far from equilibrium, so long as this emergent order accelerates the overall flow of entropy in the total system. The 1977 Nobel Prize in Chemistry was awarded to thermodynamicist Ilya Prigogine for his theory of dissipative systems that described this notion. Prigogine described the principle as "order through fluctuations" or "order out of chaos". It has been argued by some that all emergent order in the universe from galaxies, solar systems, planets, weather, complex chemistry, evolutionary biology to even consciousness, technology and civilizations are themselves examples of thermodynamic dissipative systems; nature having naturally selected these structures to accelerate entropy flow within the universe to an ever increasing degree. For example, it has been estimated that human body is 10,000 times more effective at dissipating energy per unit of mass than the sun. One may query what this has to do with zero point energy. Given the complex and adaptive behaviour that arises from nonlinear systems considerable attention in recent years has gone into studying a new class of phase transitions which occur at absolute zero temperature. These are quantum phase transitions which are driven by EM field fluctuations as a consequence of zero point energy. A good example of a spontaneous phase transition that are attributed to zero point fluctuations can be found in superconductors. Superconductivity is one of the best known empirically quantified macroscopic electromagnetic phenomena whose basis is recognised to be quantum mechanical in origin. The behaviour of the electric and magnetic fields under superconductivity is governed by the London equations. However, it has been questioned in a series of journal articles whether the quantum mechanically canonised London equations can be given a purely classical derivation. Bostick, for instance, has claimed to show that the London equations do indeed have a classical origin that applies to superconductors and to some collisionless plasmas as well. In particular it has been asserted that the Beltrami vortices in the plasma focus display the same paired flux tube morphology as Type II superconductors. Others have also pointed out this connection, Fröhlich has shown that the hydrodynamic equations of compressible fluids, together with the London equations, lead to a macroscopic parameter ( = electric charge density / mass density), without involving either quantum phase factors or the Planck constant. In essence, it has been asserted that Beltrami plasma vortex structures are able to at least simulate the morphology of Type I and Type II superconductors. This occurs because the "organised" dissipative energy of the vortex configuration comprising the ions and electrons far exceeds the "disorganised" dissipative random thermal energy. The transition from disorganised fluctuations to organised helical structures is a phase transition involving a change in the condensate's energy (i. e. the ground state or zero point energy) but without any associated rise in temperature. This is an example of zero point energy having multiple stable states (see Quantum phase transition, Quantum critical point, Topological degeneracy, Topological order) and where the overall system structure is independent of a reductionist or deterministic view, that "classical" macroscopic order can also causally affect quantum phenomena. Furthermore, the pair production of Beltrami vortices has been compared to the morphology of pair production of virtual particles in the vacuum. The idea that the vacuum energy can have multiple stable energy states is a leading hypothesis for the cause of cosmic inflation. In fact, it has been argued that these early vacuum fluctuations led to the expansion of the universe and in turn have guaranteed the non equilibrium conditions necessary to drive order from chaos, as without such expansion the universe would have reached thermal equilibrium and no complexity could have existed. With the continued accelerated expansion of the universe, the cosmos generates an energy gradient that increases the "free energy" (i. e. the available, usable or potential energy for useful work) which the universe is able to use to create ever more complex forms of order. The only reason Earth's environment does not decay into an equilibrium state is that it receives a daily dose of sunshine and that, in turn, is due to the sun "polluting" interstellar space with entropy. The sun's fusion power is only possible due to the gravitational disequilibrium of matter that arose from cosmic expansion. In this essence, the vacuum energy can be viewed as the key cause of the structure throughout the universe. That humanity might alter the morphology of the vacuum energy to create an energy gradient for useful work is the subject of much controversy.

Қолданылуы мүмкін

Физиктер нөлдік нүктелік энергия өрісін пайдалы энергия (жұмыс) немесе толық емес импульс алу үшін пайдалану мүмкіндігін мүлдем жоққа шығарады; мұндай әрекеттер мәңгілік қозғалыс машиналарын жасауға тең деп есептеледі. Дегенмен, тегін энергияға деген құштарлық осындай зерттеулерді ынталандырып келеді, олар көбінесе маргиналды ғылым санатына жатады. Кванттық теорияның тууына және нөлдік нүктелік энергияның ашылуына дейін, яғни 1889 жылы Никола Тесла пайдалы энергияны бос кеңістіктен алуға болатынын, немесе сол кезде барлыққа белгілі болған эфирден алуға болатынын ұсынды. Кейіннен басқалар да нөлдік нүктелік немесе вакуум энергиясын пайдалануға талпынып, псевдонаулық әдебиеттердің көптеген мысалдарын жариялады, бұл тақырыпты күлкіге қалдырды. Ғылыми қауымдастық тарапынан қабылданбауына қарамастан, нөлдік нүктелік энергияны пайдалану зерттеулерінің қызығушылығын жоғалтпайды, әсіресе АҚШ-та, онда ол ірі аэроғарыш және қорғаныс компанияларының, АҚШ Қорғаныс министрлігінің, сондай-ақ Қытай, Германия, Ресей және Бразилияның назарын аударды. 1999 жылы Пасаденадағы Калтехтегі NASA Jet Propulsion Laboratory-дегі бұрынғы ғалым Пинто Physical Review журналында «Казимир қозғалтқышы» үшін ой-экспериментін (Gedankenexperiment) жариялады. Мақалада Казимир әсерінен энергияның үздіксіз және оң таза алмасуы мүмкін екені көрсетілді, тіпті абстрактіде «Басқа альтернативті түсіндірмелер болмаған жағдайда, өнімділігі жоғары, қосалқы өнімдерсіз энергия өндірісі саласында маңызды технологиялық жетістіктерге қол жеткізілуі мүмкін» деп қорытынды жасау керек екені айтылды. Колорадо университетінің ғалымы Гаррет Модделл мұндай құрылғылардың Казимир күші консервативті емес күш деген болжамға негізделгенін атап өтті, ол Казимир әсері консервативті күш екенін көрсететін жеткілікті дәлелдер бар (мысалы, Скандураның 2001 жылғы талдауы) және сондықтан мұндай қозғалтқыш Казимир күшін пайдалы жұмыс үшін пайдалана алғанымен, жүйеге жұмсалғаннан артық энергия шығара алмайды деп санайды. 2008 жылы DARPA Казимир әсерін күшейту (CEE) саласындағы зерттеу ұсыныстарын қабылдады. Бағдарламаның мақсаты – Казимир күшінің инженериялық ерекшеліктеріне негізделген беттердегі тартымды және итергіш күштерді басқару және манипуляциялаудың жаңа әдістерін әзірлеу болып табылады. 2008 жылғы Хайш пен Модделдің патенты Казимир қуысы арқылы айналымдағы газды пайдалана отырып, нөлдік нүктелік флуктуациялардан қуатты алуға қабілетті құрылғыны егжей-тегжейлі сипаттайды. Модделлдің осы тұжырымдамасы бойынша 2012 жылы жүргізілген сынақ басқа көздерге жатқызуға болмайтын артық энергияны көрсетті. Алайда, бұл энергияның нөлдік нүктелік энергиядан екені нақтыланған жоқ және теорияны одан әрі зерттеу қажет.

Physicists overwhelmingly reject any possibility that the zero point energy field can be exploited to obtain useful energy (work) or uncompensated momentum; such efforts are seen as tantamount to perpetual motion machines. Nevertheless, the allure of free energy has motivated such research, usually falling in the category of fringe science. As long ago as 1889 (before quantum theory or discovery of the zero point energy) Nikola Tesla proposed that useful energy could be obtained from free space, or what was assumed at that time to be an all pervasive aether. Others have since claimed to exploit zero point or vacuum energy with a large amount of pseudoscientific literature causing ridicule around the subject. Despite rejection by the scientific community, harnessing zero point energy remains an interest of research, particularly in the US where it has attracted the attention of major aerospace/defence contractors and the U. S. Department of Defense as well as in China, Germany, Russia and Brazil. In 1999, Pinto, a former scientist at NASA's Jet Propulsion Laboratory at Caltech in Pasadena, published in Physical Review his thought experiment (Gedankenexperiment) for a "Casimir engine". The paper showed that continuous positive net exchange of energy from the Casimir effect was possible, even stating in the abstract "In the event of no other alternative explanations, one should conclude that major technological advances in the area of endless, by product free energy production could be achieved." Garret Moddel at University of Colorado has highlighted that he believes such devices hinge on the assumption that the Casimir force is a nonconservative force, he argues that there is sufficient evidence (e. g. analysis by Scandurra (2001)) to say that the Casimir effect is a conservative force and therefore even though such an engine can exploit the Casimir force for useful work it cannot produce more output energy than has been input into the system. In 2008, DARPA solicited research proposals in the area of Casimir Effect Enhancement (CEE). The goal of the program is to develop new methods to control and manipulate attractive and repulsive forces at surfaces based on engineering of the Casimir force. A 2008 patent by Haisch and Moddel details a device that is able to extract power from zero point fluctuations using a gas that circulates through a Casimir cavity. A published test of this concept by Moddel was performed in 2012 and seemed to give excess energy that could not be attributed to another source. However it has not been conclusively shown to be from zero point energy and the theory requires further investigation.

Бір жылулы ванналар

1951 жылы Каллен, Велтон және Харрис (1971) нөлдік нүкте энергиясынан қуат алу мүмкін емес екенін мәлімдеді, сондықтан FDT дұрыс бола алмайды. Грау мен Клин (1982) және Клин (1986) антеннаға қосылған резистордың Джонсон шуы Планктың жылулық сәулелену формуласын қанағаттандыруы тиіс екенін дәлелдеді, демек шу нөл температурада нөлге тең болуы керек және FDT жарамсыз болуы керек. Кисс (1988) нөлдік нүкте терминінің болуы қайта нормалау мәселесін көрсететінін атап өтті, яғни математикалық артефакт – өлшемдерде іс жүзінде жоқ, физикалық емес шаманы тудыратын құбылыс (кванттық электродинамикадағы негізгі күйлерді қайта нормалау мәселелерімен салыстырылады). Кейіннен Эбботт және авторлар (1996) «нөлдік нүкте энергиясы шексіз, сондықтан оны қайта нормалау керек, бірақ «нөлдік нүкте тербелістері» емес» деген әртүрлі, бірақ түсініксіз қорытындыға келді. Мұндай сынға қарамастан, FDT белгілі бір кванттық, классикалық емес жағдайларда тәжірибе жүзінде дұрыс екені көрсетілді. Нөлдік нүкте тербелістері энергияны диссипациялайтын жүйелерге әсер етеді және әсер ете береді. Кванттық механика мен термодинамиканы үйлестіруге жылдар бойы жасалған күш-жігерге қарамастан, олардың үйлесімділігі әлі де ашық, фундаменталды мәселе болып табылады. Кванттық қасиеттер классикалық термодинамикалық шектеулерді қаншалықты өзгерте алатыны толыққанды белгісіз.

Ғарышқа ұшу және гравитациялық қалқандау

Нөлдік нүкте энергиясын ғарыш саяхаты үшін пайдалану болжамдық және ғылыми консенсусқа кірмейді. Гравитацияның толық кванттық теориясы (нөлдік нүкте энергиясы сияқты кванттық құбылыстардың рөлін қарастыратын) әлі әзірленбеген. Нөлдік нүкте энергиясы мен гравитациялық қалқандау эффектілері арасындағы байланысты түсіндіретін теориялық мақалалар ұсынылған, бірақ бұл өзара әрекеттесу (болған жағдайда) толыққанды түсініксіз. Жалпы салыстырмалылық теориясына сәйкес, айналатын материя гравитомагниттік өзара әрекеттесу деп аталатын жаңа күшті тудыра алады, оның қарқындылығы айналу жылдамдығына пропорционал. Белгілі жағдайларда гравитомагниттік өріс кері күштің көзі болуы мүмкін. Мысалы, нейтронды жұлдыздарда ол Мейснер эффектісінің гравитациялық аналогын тудыруы мүмкін, бірақ мұндай жағдайда туындайтын күш өте әлсіз деп есептеледі. 1963 жылы Хьюз зерттеу зертханасының физигі және аэроғарыш инженеры Роберт Форвард жалпы салыстырмалылық аясында «антигравитациялық» эффекттерге қол жеткізудің қалай мүмкін екенін көрсеткен мақала жариялады. Барлық атомдар спинге ие болғандықтан, гравитациялық өткізгіштік әртүрлі материалдар үшін өзгеше болуы мүмкін. Гравитация күшіне қарсы әрекет ететін күшті тороидтік гравитациялық өріс, уақыт бойынша өзгеретін гравитациялық өрістерді күшейтетін сызықтық емес қасиеттері бар материалдар арқылы туындауы мүмкін. Мұндай эффект темірдің сызықтық емес электромагниттік өткізгіштігіне ұқсас, оны трансформатордағы тиімді өзекке (яғни темір сақинасына) айналдырады, оның қасиеттері магниттік өткізгіштікке байланысты. 1966 жылы Дьюит суперөткізгіштердегі гравитациялық эффектілердің маңыздылығын бірінші болып анықтады. Дьюит магниттік типтегі гравитациялық өрістің флюксоидтық кванттануға алып келетінін көрсетті. 1983 жылы Росс Дьюиттің жұмысын едәуір кеңейтті. 1971 жылдан 1974 жылға дейін Генри Уильям Уоллес, GE Aerospace ғалымы үш патент алды. Уоллес Дьюиттің теориясын екіншілік гравитациялық өріс тудыру және анықтауға арналған эксперименталдық құралды жасау үшін пайдаланды, оны ол кинемассивтік өріс деп атады (қазір гравитомагниттік өріс ретінде жақсы белгілі). Өз патенттерінде Уоллес гравитомагниттік өрісті анықтау үшін қолданылатын үш әдісті сипаттайды: дененің тіректегі қозғалысындағы өзгерістер, жартылай өткізгіш кристалдағы көлденең кернеуді анықтау және спині сәйкестендірілген ядролары бар кристалл материалдың меншікті жылу сыйымдылығындағы өзгерістер. Уоллес құрылғыларын тәуелсіз түрде растайтын тесттер жоқ. Мұндай эффект, егер бар болса, шағын болады. 1980 жылы New Scientist журналы Уоллес патенттері туралы мақаласында: «Уоллес патенттері бастапқыда екіұшты деп есептелгенімен, байқаушылар оның өнертабысы қазір АҚШ әскери билігімен құпия түрде зерттеліп жатыр деп санайды. Әскерилер патенттердің бұрын берілгендігіне және кез келген адам оларды оқи алатындығына өкінуі мүмкін» деді. Уоллес патенттеріне Эдвардс әуе күштері базасындағы Астронавтика зертханасы үшін дайындалған электрлік қозғалтқыш туралы зерттеуде де сілтеме жасалған, онда былай делінген: «Патенттер өте сенімді стильде жазылған, олар бөлшек нөмірлерін, кейбір компоненттердің көздерін және деректердің диаграммаларын қамтиды. Уоллеспен байланыс орнатуға патенттік мекенжайлар және басқа да көздер арқылы тырысылды, бірақ ол табылмады және оның жұмысына не болғаны туралы ешқандай із жоқ. Бұл тұжырымдама жалпы салыстырмалылық негіздерімен біршама негізделуі мүмкін, өйткені уақыт бойынша өзгеретін өрістердің айналу шеңберлері гравитациялық толқындарды шығаруы күтіледі». 1986 жылы АҚШ Әуе күштерінің сол кездегі ракеталық қозғалтқыш зертханасы (RPL) шағын бизнес зерттеулері мен инновациялық бағдарламасы аясында «дәстүрлі емес қозғалтқыш тұжырымдамаларын» іздеді. Алты қызығушылық саласының бірі «қуат беруге арналған жаңа пропульсия жүйелеріне зерттеулерді шоғырландыру үшін вакуумдық кеңістіктің кванттық динамикалық энергиясы сияқты эзотерикалық энергия көздері» болды. Сол жылы BAE Systems «Greenglow» жобасын іске қосты. 1988 жылы Кип Торн және басқалар. өтілетін құрт тесіктерінің уақыт-кеңістікте тек белгілі бір экзотикалық материяның теріс энергияны тудыратын кванттық өрістермен жіптелген жағдайда ғана болуы мүмкін екенін көрсеткен жұмысты жариялады. 1993 жылы Шарнхорст пен Бартон Торнның жұмысына сүйене отырып, 1994 жылы Мигель Алькубиер ғарыш кемесі алдындағы кеңістіктің жирылуына және артындағы кеңістіктің кеңеюіне себеп болатын толқын жасау арқылы кеңістіктің геометриясын өзгерту әдісін ұсынды (Алькубиер драйвын қараңыз). Кеме содан кейін бұл толқынмен тегіс кеңістік аймағының ішінде жүреді, бұл «деформациялық көпірше» деп аталады және бұл көпірше ішінде қозгалмайды, бірақ драйвтың әрекеттерінен аймақ өзі қозғалады. 1992 жылы Евгений Подклетнов белгілі бір типтегі айналатын суперөткізгіш гравитациялық күшті қалқандай алатынын мәлімдеген, қызу пікірталас тудырған мақала жариялады. Бұған тәуелсіз, 1991 жылдан 1993 жылға дейін Нин Ли және Дуглас Торр суперөткізгіштердегі гравитациялық эффекттер туралы бірнеше мақала жариялады. Олардың бірінде II типтегі суперөткізгіш материалдағы гравитомагниттік ағынның көзі торлық иондардың спиніне байланысты екендігі анықталды. Олардың үшінші мақаласынан цитата келтірелік: «Торлық иондардың спинінің сәйкес тізілуі анықтамалы гравитомагниттік өріс тудырады және уақыт бойынша өзгеретін магниттік векторлық потенциал өрісі болғанда, анықтамалы гравитоэлектрлік өріс тудырады». Тудырылған күш мөлшері кейбір тараптардан дауланып, басқаларымен қорғалды. 1997 жылы Ли Подклетновтың нәтижелерін қайталауға бағытталған мақала жариялады және эффект өте шағын болса, онда оның бар екені көрсетті. Ли 1999 жылы Алабама университетінен AC Gravity LLC компаниясын құру үшін кеткені хабарланды. AC Gravity 2001 жылы антигравитациялық зерттеулерді жалғастыру үшін АҚШ Қорғаныс министрлігінен 448 970 долларлық грант алды. Грант мерзімі 2002 жылы аяқталды, бірақ бұл зерттеулердің нәтижелері жарияланбады. 2002 жылы Boeing компаниясының Сіэтлдегі жетілдірілген зерттеу және әзірлеме орталығы Phantom Works Евгений Подклетновқа тікелей жүгінді. Phantom Works Ресейдің технологиялық трансферлік бақылауларымен тоқтатылды. Осы уақытта Boeing Phantom Works-тың келіп жатқан басшысы генерал-лейтенант Джордж Муэллер Boeing-тің Подклетновпен жұмыс жасау әрекеттері Мәскеу тарапынан тоқтатылғанын растады, сондай-ақ «Физикалық принциптер – және Подклетновтың құрылғысы жалғыз емес – жарамды көрінеді. Бұл жерде негізгі ғылым бар. Олар физика заңдарын бұзбайды. Сұрақ – ғылымды жұмыс істейтін нәрсеге айналдыруға бола ма?» деді.

The use of zero point energy for space travel is speculative and does not form part of the mainstream scientific consensus. A complete quantum theory of gravitation (that would deal with the role of quantum phenomena like zero point energy) does not yet exist. Speculative papers explaining a relationship between zero point energy and gravitational shielding effects have been proposed, but the interaction (if any) is not yet fully understood. According to the general theory of relativity, rotating matter can generate a new force of nature, known as the gravitomagnetic interaction, whose intensity is proportional to the rate of spin. In certain conditions the gravitomagnetic field can be repulsive. In neutrons stars for example it can produce a gravitational analogue of the Meissner effect, but the force produced in such an example is theorized to be exceedingly weak. In 1963 Robert Forward, a physicist and aerospace engineer at Hughes Research Laboratories, published a paper showing how within the framework of general relativity "anti gravitational" effects might be achieved. Since all atoms have spin, gravitational permeability may be able to differ from material to material. A strong toroidal gravitational field that acts against the force of gravity could be generated by materials that have nonlinear properties that enhance time varying gravitational fields. Such an effect would be analogous to the nonlinear electromagnetic permeability of iron making it an effective core (i. e. the doughnut of iron) in a transformer, whose properties are dependent on magnetic permeability. In 1966 Dewitt was first to identify the significance of gravitational effects in superconductors. Dewitt demonstrated that a magnetic type gravitational field must result in the presence of fluxoid quantization. In 1983, Dewitt's work was substantially expanded by Ross. From 1971 to 1974 Henry William Wallace, a scientist at GE Aerospace was issued with three patents. Wallace used Dewitt's theory to develop an experimental apparatus for generating and detecting a secondary gravitational field, which he named the kinemassic field (now better known as the gravitomagnetic field). In his three patents, Wallace describes three different methods used for detection of the gravitomagnetic field – change in the motion of a body on a pivot, detection of a transverse voltage in a semiconductor crystal, and a change in the specific heat of a crystal material having spin aligned nuclei. There are no publicly available independent tests verifying Wallace's devices. Such an effect if any would be small. Referring to Wallace's patents, a New Scientist article in 1980 stated "Although the Wallace patents were initially ignored as cranky, observers believe that his invention is now under serious but secret investigation by the military authorities in the USA. The military may now regret that the patents have already been granted and so are available for anyone to read." A further reference to Wallace's patents occur in an electric propulsion study prepared for the Astronautics Laboratory at Edwards Air Force Base which states: "The patents are written in a very believable style which include part numbers, sources for some components, and diagrams of data. Attempts were made to contact Wallace using patent addresses and other sources but he was not located nor is there a trace of what became of his work. The concept can be somewhat justified on general relativistic grounds since rotating frames of time varying fields are expected to emit gravitational waves." In 1986 the U. S. Air Force's then Rocket Propulsion Laboratory (RPL) at Edwards Air Force Base solicited "Non Conventional Propulsion Concepts" under a small business research and innovation program. One of the six areas of interest was "Esoteric energy sources for propulsion, including the quantum dynamic energy of vacuum space " In the same year BAE Systems launched "Project Greenglow" to provide a "focus for research into novel propulsion systems and the means to power them". In 1988 Kip Thorne et al. published work showing how traversable wormholes can exist in spacetime only if they are threaded by quantum fields generated by some form of exotic matter that has negative energy. In 1993 Scharnhorst and Barton Building on the work of Thorne, in 1994 Miguel Alcubierre proposed a method for changing the geometry of space by creating a wave that would cause the fabric of space ahead of a spacecraft to contract and the space behind it to expand (see Alcubierre drive). The ship would then ride this wave inside a region of flat space, known as a warp bubble and would not move within this bubble but instead be carried along as the region itself moves due to the actions of the drive. In 1992 Evgeny Podkletnov published a heavily debated journal article claiming a specific type of rotating superconductor could shield gravitational force. Independently of this, from 1991 to 1993 Ning Li and Douglas Torr published a number of articles about gravitational effects in superconductors. One finding they derived is the source of gravitomagnetic flux in a type II superconductor material is due to spin alignment of the lattice ions. Quoting from their third paper: "It is shown that the coherent alignment of lattice ion spins will generate a detectable gravitomagnetic field, and in the presence of a time dependent applied magnetic vector potential field, a detectable gravitoelectric field." The claimed size of the generated force has been disputed by some but defended by others. In 1997 Li published a paper attempting to replicate Podkletnov's results and showed the effect was very small, if it existed at all. Li is reported to have left the University of Alabama in 1999 to found the company AC Gravity LLC. AC Gravity was awarded a U. S. DOD grant for $448,970 in 2001 to continue anti gravity research. The grant period ended in 2002 but no results from this research were ever made public. In 2002 Phantom Works, Boeing's advanced research and development facility in Seattle, approached Evgeny Podkletnov directly. Phantom Works was blocked by Russian technology transfer controls. At this time Lieutenant General George Muellner, the outgoing head of the Boeing Phantom Works, confirmed that attempts by Boeing to work with Podkletnov had been blocked by Moscow, also commenting that "The physical principles – and Podkletnov's device is not the only one – appear to be valid There is basic science there. They're not breaking the laws of physics. The issue is whether the science can be engineered into something workable"

Froning және Roach (2002) Puthoff, Haisch және Alcubierre жұмысына негізделген мақала ұсынды. Олар нөлдік нүкте өрісімен (Алькубиер ұсынғандай) көлік құралының өзара әрекеттесуін модельдеу үшін сұйық динамикалық симуляцияларды пайдаланды. Вакуумдық өріс бұзылыстары сұйық өріс бұзылыстарымен симуляцияланады және көлік құралының ішкі жағына әсер ететін тұтқырлықтың кедергісі нөлдік нүкте өрісінің Лоренц күшімен (сыртқы жағында теңдессіз нөлдік сәулелену қысымынан туындаған Казимир сияқты күш) салыстырылады. Олар Алькубиер драйвы үшін қажетті оңтайлы теріс энергия сақина тәрізді көлік құралында және тороидтық электромагниттік өрістерде болатынын анықтады. Электромагниттік өрістер кеңістіктің өткізгіштігі мен диэлектрлік тұрақтылығына әсер ететін, құрылғының айналасындағы вакуумдық өріс бұзылыстарын өзгертеді. 2009 жылы Джорджо Фонтана және Бернд Биндер электромагниттік өріс пен ядролық күштердің нөлдік энергиясын гравитациялық толқындар түрінде алуға болатын жаңа әдіс ұсынды. Екі мәрте Нобель сыйлығының лауреаты Линус Полинг ұсынған ядроның сфералық моделінде динейтрондар бұл құрылымның компоненттерінің бірі болып табылады. Дүмбел сияқты, тиісті айналу күйіне келтірілген, бірақ ядролық масса тығыздығымен, динейтрондар Х-сәуле және гамма сәулелерінде гравитациялық толқындардың дерлік идеалды көздері болып табылады.

Froning and Roach (2002) put forward a paper that builds on the work of Puthoff, Haisch and Alcubierre. They used fluid dynamic simulations to model the interaction of a vehicle (like that proposed by Alcubierre) with the zero point field. Vacuum field perturbations are simulated by fluid field perturbations and the aerodynamic resistance of viscous drag exerted on the interior of the vehicle is compared to the Lorentz force exerted by the zero point field (a Casimir like force is exerted on the exterior by unbalanced zero point radiation pressures). They find that the optimized negative energy required for an Alcubierre drive is where it is a saucer shaped vehicle with toroidal electromagnetic fields. The EM fields distort the vacuum field perturbations surrounding the craft sufficiently to affect the permeability and permittivity of space. In 2009 Giorgio Fontana and Bernd Binder presented a new method to potentially extract the Zero point energy of the electromagnetic field and nuclear forces in the form of gravitational waves. In the spheron model of the nucleus, proposed by the two times Nobel laureate Linus Pauling, dineutrons are among the components of this structure. Similarly to a dumbbell put in a suitable rotational state, but with nuclear mass density, dineutrons are nearly ideal sources of gravitational waves at X ray and gamma ray frequencies. The dynamical interplay, mediated by nuclear forces, between the electrically neutral dineutrons and the electrically charged core nucleus is the fundamental mechanism by which nuclear vibrations can be converted to a rotational state of dineutrons with emission of gravitational waves. Gravity and gravitational waves are well described by General Relativity, that is not a quantum theory, this implies that there is no Zero point energy for gravity in this theory, therefore dineutrons will emit gravitational waves like any other known source of gravitational waves. In Fontana and Binder paper, nuclear species with dynamical instabilites, related to the Zero point energy of the electromagnetic field and nuclear forces, and possessing dineutrons, will emit gravitational waves. In experimental physics this approach is still unexplored. In 2014 NASA's Eagleworks Laboratories announced that they had successfully validated the use of a Quantum Vacuum Plasma Thruster which makes use of the Casimir effect for propulsion. In 2016 a scientific paper by the team of NASA scientists passed peer review for the first time. The paper suggests that the zero point field acts as pilot wave and that the thrust may be due to particles pushing off the quantum vacuum. While peer review doesn't guarantee that a finding or observation is valid, it does indicate that independent scientists looked over the experimental setup, results, and interpretation and that they could not find any obvious errors in the methodology and that they found the results reasonable. In the paper, the authors identify and discuss nine potential sources of experimental errors, including rogue air currents, leaky electromagnetic radiation, and magnetic interactions. Not all of them could be completely ruled out, and further peer reviewed experimentation is needed in order to rule these potential errors out.

= Баспасөз мақалалары=

Кальфизика институты арқылы.