Кіріспе

Кванттық теңсіздіктер – уақыт-кеңістікте теріс энергия тығыздығының таралу мөлшері мен кеңдігіне қойылатын жергілікті шектеулер. Бастапқыда кванттық өріс теориясындағы шешілмей келген мәселені (яғни, бір нүктеде шексіз теріс энергия тығыздығының мүмкіндігін) жою мақсатымен туындаған кванттық теңсіздіктер, сан алуан қолданыстарға ие екені дәлелденді. Кванттық теңсіздіктердің түрі белгісіздік принципін еске түсіреді.

Классикалық өріс теориясындағы энергия шарттары

Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы кеңістік-уақыттың қисықтығы мен кеңістік-уақыт бойындағы материя таралуы арасындағы қатынасты сипаттайды. Осы қатынастың нақты егжей-тегжейін Эйнштейн теңдеулері анықтайды. Мұнда Эйнштейн тензоры кеңістік-уақыттың қисықтығын, ал энергия-импульс тензоры материяның жергілікті таралуын сипаттайды. (тұрақты шама). Эйнштейн теңдеулері аралас шамалар арасындағы жергілікті қатынастарды көрсетеді – атап айтқанда, бұл біріктірілген сызықты емес екінші реттік дербес дифференциалдық теңдеулер жүйесі. Осы сәтте өте қарапайым байқау жасауға болады: энергия-импульстің нөлдік нүктесі кездейсоқ емес. Эйнштейн теңдеулерінің оң жағына «тұрақты» қосу Эйнштейн тензорында, демек кеңістік-уақыттың қисықтық қасиеттерінде өзгеріс тудырады. Барлық белгілі классикалық материялық өрістер белгілі бір «энергиялық шарттарға» бағынады. Ең танымал классикалық энергиялық шарт – «әлсіз энергиялық шарт»; ол уақыт тәрізді әлемдік сызық бойымен қозғалатын бақылаушы өлшегендей жергілікті энергия тығыздығы теріс емес екенін көрсетеді. Әлсіз энергиялық шарт классикалық салыстырмалылық теориясының көптеген маңызды және күшті нәтижелері үшін маңызды, әсіресе Хокинг және басқалардың сингулярлық теоремалары үшін.

Кванттық өріс теориясындағы энергия шарттары

Кванттық өріс теориясындағы жағдай мүлдем басқаша: энергия тығыздығының күтілетін мәні кез келген нүктеде теріс болуы мүмкін. Шындығында, жағдай тіпті нашар: кванттық материя өрісінің күйін реттеу арқылы жергілікті энергия тығыздығының күтілетін мәні шексіз теріс мәнге дейін өзгертілуі мүмкін.

Қолданбалар

Теріс энергия тығыздығының таралуы көбінесе экзотикалық материя деп аталатын нәрсені құрайды және бірнеше қызықты мүмкіндіктерге жол береді: мысалы, Алькубьерр драйвы жарық жылдамдығынан асып түсетін ғарыш саяхатына мүмкіндік береді. Кванттық теңсіздіктер теріс энергия тығыздықтарының шамасын және кеңістік-уақыт кеңістігін шектейді. Жоғарыда айтылған Алькубьерр бұрмалау драйвының жағдайында, кванттық теңсіздіктер драйвтың "көпіршігін" құру және сақтау үшін қажетті экзотикалық материя мөлшерінің ғаламның жалпы масса-энергиясынан әлдеқайда көп болатынын болжайды.

Тарих

Кванттық теңсіздіктерді зерттеудің ең алғашқы қадамдарын Ларри Форд пен Том Роман жасады; алғашқы серіктесі Митч Пфеннинг, Фордтың Тафтс университетіндегі студенттерінің бірі болды. Ена Фланаган да маңызды еңбек етті. Соңғы кезде Крис Фьюстер (Ұлыбританиядағы Йорк университетінен) қатаң математикалық әдістерді қолданып, түрлі жалпы кванттық теңсіздіктерді жасады. Оның серіктестері Форд, Роман, Пфеннинг, Стефан Холландс және Райнер Верх болды.