Отрицательная энергия — это концепция, используемая в физике для объяснения природы определенных полей , включая гравитационное поле и различные эффекты квантового поля .
Гравитационная энергия, или гравитационная потенциальная энергия, — это потенциальная энергия, которой обладает массивный объект, поскольку он находится в гравитационном поле. В классической механике две или более масс всегда имеют гравитационный потенциал . Сохранение энергии требует, чтобы эта энергия гравитационного поля всегда была отрицательной, так что она равна нулю, когда объекты находятся бесконечно далеко друг от друга. Когда два объекта удаляются друг от друга и расстояние между ними приближается к бесконечности, гравитационная сила между ними приближается к нулю с положительной стороны действительной числовой прямой, а гравитационный потенциал приближается к нулю с отрицательной стороны. И наоборот, когда два массивных объекта движутся навстречу друг другу, движение ускоряется под действием силы тяжести, вызывая увеличение (положительной) кинетической энергии системы, и, чтобы сохранить общую сумму энергии, увеличение той же величины в гравитационной потенциальной энергии объекта рассматривается как отрицательное. [1]
Вселенная , в которой доминирует положительная энергия, в конечном итоге разрушится в Большом сжатии , в то время как «открытая» вселенная, в которой доминирует отрицательная энергия, будет либо расширяться бесконечно, либо в конечном итоге распадется в Большом разрыве . В модели вселенной с нулевой энергией («плоской» или «евклидовой») общее количество энергии во вселенной равно нулю : ее количество положительной энергии в форме материи в точности компенсируется ее отрицательной энергией в форме гравитации . [2] Неясно, какая из этих моделей, если таковая имеется, точно описывает реальную вселенную.
Для классически вращающейся черной дыры вращение создает эргосферу за пределами горизонта событий, в которой само пространство-время начинает вращаться в явлении, известном как увлечение кадра. Поскольку эргосфера находится за пределами горизонта событий, частицы могут вырваться из нее. Внутри эргосферы энергия частицы может стать отрицательной (через релятивистское вращение ее вектора Киллинга ). Затем частица с отрицательной энергией пересекает горизонт событий и попадает в черную дыру, при этом закон сохранения энергии требует, чтобы равное количество положительной энергии вырвалось.
В процессе Пенроуза тело делится на две части, одна половина получает отрицательную энергию и падает, а другая половина получает равное количество положительной энергии и улетает. Это предлагается как механизм, посредством которого генерируется интенсивное излучение, испускаемое квазарами . [3]
Отрицательные энергии и отрицательная плотность энергии согласуются с квантовой теорией поля . [4]
В квантовой теории принцип неопределенности позволяет заполнить вакуум пространства виртуальными парами частица-античастица, которые появляются спонтанно и существуют лишь короткое время, прежде чем, как правило, снова аннигилируют. Некоторые из этих виртуальных частиц могут иметь отрицательную энергию. Такое поведение играет роль в нескольких важных явлениях, как описано ниже.
В эффекте Казимира две плоские пластины, расположенные очень близко друг к другу, ограничивают длины волн квантов, которые могут существовать между ними. Это, в свою очередь, ограничивает типы и, следовательно, количество и плотность пар виртуальных частиц , которые могут образовываться в промежуточном вакууме, и может привести к отрицательной плотности энергии. Поскольку это ограничение не существует или гораздо менее значимо на противоположных сторонах пластин, силы снаружи пластин больше, чем между пластинами. Это заставляет пластины казаться притягивающими друг друга, что было измерено. Точнее, энергия вакуума, вызванная парами виртуальных частиц, толкает пластины вместе, а энергия вакуума между пластинами слишком мала, чтобы свести на нет этот эффект, поскольку меньше виртуальных частиц может существовать на единицу объема между пластинами, чем может существовать вне их. [5]
Можно организовать несколько пучков лазерного света таким образом, что деструктивная квантовая интерференция подавит флуктуации вакуума . Такое сжатое состояние вакуума включает отрицательную энергию. Повторяющаяся форма волны света приводит к чередованию областей положительной и отрицательной энергии. [5]
Согласно теории моря Дирака , разработанной Полем Дираком в 1930 году, вакуум пространства полон отрицательной энергии. Эта теория была разработана для объяснения аномалии квантовых состояний с отрицательной энергией, предсказанной уравнением Дирака . Год спустя, после работы Вейля , концепция отрицательной энергии была отвергнута и заменена теорией антиматерии . [6] : 9 В следующем, 1932 году, Карл Андерсон открыл позитрон .
Интенсивные гравитационные поля вокруг черных дыр создают явления, которые приписываются как гравитационным, так и квантовым эффектам. В этих ситуациях вектор Киллинга частицы может быть повернут таким образом, что ее энергия станет отрицательной. [7]
Виртуальные частицы могут существовать в течение короткого периода. Когда пара таких частиц появляется рядом с горизонтом событий черной дыры, одна из них может быть втянута. Это поворачивает ее вектор Киллинга так, что ее энергия становится отрицательной, и у пары нет чистой энергии. Это позволяет им стать реальными, и положительная частица ускользает как излучение Хокинга , в то время как частица с отрицательной энергией уменьшает чистую энергию черной дыры. Таким образом, черная дыра может медленно испаряться. [8] [9]
Отрицательная энергия появляется в спекулятивной теории червоточин , где она необходима для поддержания червоточины открытой. Червоточина напрямую соединяет два места, которые могут быть разделены произвольно большим расстоянием как в пространстве, так и во времени, и в принципе позволяет практически мгновенно перемещаться между ними. Однако физики, такие как Роджер Пенроуз, считают такие идеи нереалистичными, скорее вымыслом, чем домыслами. [10]
Был предложен теоретический принцип сверхсветового ( FTL) варп-двигателя для космических кораблей, использующего отрицательную энергию. Двигатель Алькубьерре основан на решении уравнений поля Эйнштейна общей теории относительности , в котором «пузырь» пространства-времени создается с использованием гипотетической отрицательной энергии. Затем пузырь перемещается путем расширения пространства позади него и сжатия пространства перед ним. Пузырь может перемещаться с произвольной скоростью и не ограничен скоростью света. Это не противоречит общей теории относительности, поскольку содержимое пузыря на самом деле не перемещается через свое локальное пространство-время. [5]
Спекулятивные теоретические исследования предположили, что частицы с отрицательной энергией согласуются с релятивистской квантовой теорией, при этом некоторые отмечают взаимосвязь с отрицательной массой и/или обращением времени. [11] [12] [13]