طاقة النقطة-صفر

طاقة النقطة صفر أو طاقة الدرجة صفر طاقة نقطة الصفر (بالإنجليزية: Zero-point energy واختصارًا ZPE) هي أدنى طاقة ممكنة قد يمتلكها نظام ميكانيكا الكم . على عكس الميكانيكا الكلاسيكية ، تتقلب الأنظمة الكمومية باستمرار في أدنى مستويات الطاقة لها كما هو موضح في مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ . قالب:Sfnp لذلك، حتى عند الصفر المطلق ، تحتفظ الذرات والجزيئات ببعض الحركة الاهتزازية. وبصرف النظر عن الذرات والجزيئات ، فإن المساحة الفارغة في الفراغ لها هذه الخصائص أيضًا. وفقًا لنظرية المجال الكمي ، لا يمكن النظر إلى الكون كجسيمات معزولة بل كحقول متقلبة مستمرة: مجالات المادة ، التي تكون كوانتاها فرميونات (أي اللبتونات والكواركات )، ومجالات القوة ، كوانتاها هي البوزونات (على سبيل المثال، الفوتونات والجلونات ). ). كل هذه المجالات لديها طاقة نقطة الصفر. تؤدي حقول نقطة الصفر المتقلبة هذه إلى نوع من إعادة إدخال الأثير في الفيزياء نظرًا لأن بعض الأنظمة يمكنها اكتشاف وجود هذه الطاقة. ومع ذلك، لا يمكن اعتبار هذا الأثير وسيطًا فيزيائيًا إذا كان لورنتز ثابتًا بحيث لا يوجد تناقض مع نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين .

فكرة طاقة النقطة صفر مهمة أيضًا لعلم الكونيات ، وتفتقر الفيزياء حاليًا إلى نموذج نظري كامل لفهم طاقة النقطة صفر في هذا السياق؛ وعلى وجه الخصوص، فإن التناقض بين طاقة الفراغ النظرية والمرصودة في الكون هو مصدر خلاف كبير. ومع ذلك، وفقًا لنظرية النسبية العامة لأينشتاين، فإن أي طاقة من هذا القبيل سوف تنجذب، وتظهر الأدلة التجريبية من توسع الكون والطاقة المظلمة وتأثير كازيمير أن أي طاقة من هذا القبيل ضعيفة بشكل استثنائي. أحد الاقتراحات التي تحاول معالجة هذه المشكلة هو القول بأن حقل الفرميون له طاقة نقطة صفر سالبة، في حين أن حقل البوزون لديه طاقة نقطة صفر موجبة وبالتالي فإن هذه الطاقات تلغي بعضها البعض بطريقة أو بأخرى. ستكون هذه الفكرة صحيحة لو كان التناظر الفائق تناظرًا دقيقًا للطبيعة ؛ ومع ذلك، فإن مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) لم يعثر حتى الآن على أي دليل يدعم ذلك. علاوة على ذلك، من المعروف أنه إذا كان التناظر الفائق صالحًا على الإطلاق، فهو على الأكثر تناظر مكسور ، وصحيح فقط عند الطاقات العالية جدًا، ولم يتمكن أحد من إظهار نظرية حيث تحدث إلغاءات نقطة الصفر في الكون منخفض الطاقة نلاحظ اليوم. يُعرف هذا التناقض بمشكلة الثابت الكوني وهي واحدة من أعظم الألغاز التي لم يتم حلها في الفيزياء . يعتقد العديد من علماء الفيزياء أن "الفراغ يحمل المفتاح إلى الفهم الكامل للطبيعة".

أصل الكلمة والمصطلحات

مصطلح طاقة النقطة صفر (ZPE) هو ترجمة من الألمانية Nullpunktsenergie. في بعض الأحيان يتم استخدام مصطلحي إشعاع نقطة الصفر وطاقة الحالة الأرضية بالتبادل معه. يمكن استخدام مصطلح حقل نقطة الصفر ( ZPF ) عند الإشارة إلى مجال فراغ محدد، على سبيل المثال فراغ QED الذي يتعامل بشكل خاص مع الديناميكا الكهربائية الكمومية (على سبيل المثال، التفاعلات الكهرومغناطيسية بين الفوتونات والإلكترونات والفراغ) أو فراغ QCD الذي يتعامل مع مع الديناميكا اللونية الكمومية (على سبيل المثال، تفاعلات الشحنة اللونية بين الكواركات والغلوونات والفراغ). لا يمكن النظر إلى الفراغ باعتباره مساحة فارغة، بل باعتباره مزيجًا من جميع حقول نقطة الصفر. في نظرية المجال الكمي، يُطلق على هذا المزيج من الحقول اسم حالة الفراغ، وتسمى طاقة نقطة الصفر المرتبطة بها طاقة الفراغ ويسمى متوسط قيمة الطاقة بقيمة توقع الفراغ (VEV) وتسمى أيضًا مكثفاتها .

لمحة عامة

في الميكانيكا الكلاسيكية، يمكن اعتبار أن جميع الجسيمات تمتلك بعض الطاقة المكونة من طاقتها الكامنة وطاقتها الحركية . درجة الحرارة ، على سبيل المثال، تنشأ من شدة حركة الجسيمات العشوائية الناجمة عن الطاقة الحركية (المعروفة باسم الحركة البراونية ). عندما تنخفض درجة الحرارة إلى الصفر المطلق ، قد يُعتقد أن كل الحركة تتوقف وتستقر الجزيئات تمامًا. ومع ذلك، في الواقع، تحتفظ الجسيمات بالطاقة الحركية حتى عند أدنى درجة حرارة ممكنة. إن الحركة العشوائية المقابلة لطاقة النقطة الصفر هذه لا تختفي أبدًا؛ إنه نتيجة لمبدأ عدم اليقين في ميكانيكا الكم .

ينص مبدأ عدم اليقين على أنه لا يمكن لأي جسم أن يمتلك قيمًا دقيقة للموضع والسرعة في وقت واحد. يتم وصف الطاقة الإجمالية لجسم ميكانيكي الكم (المحتمل والحركي) بواسطة الهاملتوني الذي يصف النظام أيضًا بأنه مذبذب توافقي، أو دالة موجية ، تتقلب بين حالات الطاقة المختلفة (انظر ازدواجية الموجة والجسيم ). تخضع جميع أنظمة ميكانيكا الكم لتقلبات حتى في حالتها الأرضية، نتيجة لطبيعتها الشبيهة بالموجة . يتطلب مبدأ عدم اليقين أن يكون لدى كل نظام ميكانيكي كمي طاقة متقلبة تبلغ نقطة الصفر أكبر من الحد الأدنى لبئر إمكاناته الكلاسيكية. وهذا يؤدي إلى الحركة حتى عند الصفر المطلق. على سبيل المثال، الهيليوم السائل لا يتجمد تحت الضغط الجوي بغض النظر عن درجة الحرارة بسبب طاقة نقطة الصفر الخاصة به.

بالنظر إلى معادلة الكتلة والطاقة التي عبر عنها ألبرت أينشتاين E=mc² ، يمكن اعتبار أي نقطة في الفضاء تحتوي على طاقة على أنها تمتلك كتلة لتكوين الجسيمات. تنطلق الجسيمات الافتراضية إلى الوجود تلقائيًا في كل نقطة في الفضاء بسبب طاقة التقلبات الكمومية الناجمة عن مبدأ عدم اليقين. طورت الفيزياء الحديثة نظرية المجال الكمي (QFT) لفهم التفاعلات الأساسية بين المادة والقوى، فهي تتعامل مع كل نقطة في الفضاء كمذبذب توافقي كمي . وفقًا لـ QFT، يتكون الكون من حقول المادة، كوانتاها هي الفرميونات (أي اللبتونات والكواركات)، ومجالات القوة، كوانتاها هي البوزونات (مثل الفوتونات والجلونات ). كل هذه المجالات لديها طاقة نقطة الصفر. تدعم التجارب الحديثة فكرة أن الجسيمات نفسها يمكن اعتبارها حالات مثارة للفراغ الكمي الأساسي، وأن جميع خصائص المادة هي مجرد تقلبات فراغية تنشأ من تفاعلات مجال نقطة الصفر.

إن فكرة أن الفضاء "الفارغ" يمكن أن يكون له طاقة جوهرية مرتبطة به، وأنه لا يوجد شيء اسمه "الفراغ الحقيقي" تبدو فكرة غير بديهية. غالبًا ما يُقال إن الكون بأكمله مغمور تمامًا بإشعاع نقطة الصفر، وعلى هذا النحو لا يمكن إضافة سوى كمية ثابتة إلى الحسابات. وبالتالي فإن القياسات المادية سوف تكشف فقط عن الانحرافات عن هذه القيمة. بالنسبة للعديد من الحسابات العملية، يتم استبعاد طاقة النقطة صفر في النموذج الرياضي كمصطلح ليس له أي تأثير مادي. مثل هذه المعالجة تسبب مشاكل، كما هو الحال في نظرية النسبية العامة لأينشتاين، فإن قيمة الطاقة المطلقة للفضاء ليست ثابتة اعتباطية وتؤدي إلى الثابت الكوني . لعقود من الزمن، افترض معظم الفيزيائيين أن هناك مبدأ أساسيًا غير مكتشف من شأنه إزالة طاقة نقطة الصفر اللانهائية وجعلها تختفي تمامًا. إذا لم يكن للفراغ قيمة جوهرية مطلقة للطاقة فإنه لن ينجذب. كان يُعتقد أنه مع توسع الكون في أعقاب الانفجار الكبير ، فإن الطاقة الموجودة في أي وحدة من الفضاء الفارغ ستنخفض مع انتشار الطاقة الإجمالية لملء حجم الكون؛ يجب أن تبدأ المجرات وكل المادة في الكون في التباطؤ. تم استبعاد هذا الاحتمال في عام 1998 من خلال اكتشاف أن توسع الكون لا يتباطأ ولكنه في الواقع يتسارع، مما يعني أن الفضاء الفارغ لديه بالفعل بعض الطاقة الجوهرية. إن أفضل تفسير لاكتشاف الطاقة المظلمة هو طاقة النقطة صفر، على الرغم من أنه لا يزال لغزًا لماذا تبدو القيمة صغيرة جدًا مقارنة بالقيمة الضخمة التي تم الحصول عليها من خلال النظرية - مشكلة الثابت الكوني.

تم التحقق تجريبيًا من العديد من التأثيرات الفيزيائية المنسوبة إلى طاقة النقطة الصفر، مثل الانبعاث التلقائي ، وقوة كازيمير ، وتحول لامب ، والعزم المغناطيسي للإلكترون ، وتشتت ديلبروك . تسمى هذه التأثيرات عادةً "التصحيحات الإشعاعية". في النظريات غير الخطية الأكثر تعقيدًا (مثل QCD)، يمكن لطاقة النقطة صفر أن تؤدي إلى مجموعة متنوعة من الظواهر المعقدة مثل الحالات المستقرة المتعددة ، وكسر التماثل ، والفوضى ، والنشوء . ويعتقد العديد من علماء الفيزياء أن "الفراغ يحمل المفتاح إلى الفهم الكامل للطبيعة" وأن دراسته أمر بالغ الأهمية في البحث عن نظرية كل شيء . تشمل مجالات البحث النشطة تأثيرات الجسيمات الافتراضية، التشابك الكمي ، الفرق (إن وجد) بين كتلة القصور الذاتي وكتلة الجاذبية ، الاختلاف في سرعة الضوء ، سبب الملاحظة قيمة الثابت الكوني وطبيعة الطاقة المظلمة.