真空エネルギーは無限の力を提供し、人間が宇宙の最果てまで移動することを可能にしますか?宇宙の形と大きさを急速に変化させているのでしょうか?これらの質問は、真空エネルギーと暗黒エネルギーの神秘的な世界に関して言えば、氷山の一角にすぎません。これは、現代物理学の未解決の最大の謎の 1 つです。
究極の動力源や遠い未来のロケット推進技術であるという多くの理論がインターネット上で出回っています。理論的には、大規模な宇宙膨張を引き起こし、宇宙の曲率を変化させている可能性さえあります。とはいえ、このノイズから真空エネルギーが実際に何であるかを把握するのは困難です。それは、アインシュタインの一般相対性理論の方程式から始まります。
アインシュタインの宇宙定数
アインシュタインの有名な場の方程式には、彼が理論的な宇宙定数を表すために使用したラムダ係数が含まれています。この宇宙定数は、空の空間、つまり真空のエネルギー密度です。当時、アインシュタインと彼の同時代の人々は、テーブルの上に動かずに座っているマグカップのように、宇宙は静的であるという有力な理論に取り組んでいました.宇宙に対する正味の力はゼロだったので、この宇宙定数はゼロになりました。
しかし、アインシュタインは最終的に宇宙定数を彼の方程式から取り除きました。主要な理論は、宇宙が膨張しているという考えに向けられました。アメリカの天文学者エドウィン ハッブルは 1929 年にこの概念を確認し、アインシュタインの宇宙定数をめぐる論争を引き起こしました。宇宙が加速的に成長している場合、加速にはゼロ以外の正味の力が必要なため、宇宙定数をゼロにすることはできません。
これにより、物理学者は明らかな次の質問にたどり着きました。宇宙定数がゼロでない場合、それは何ですか?これは、数学的レベルと概念レベルの両方に当てはまります。宇宙定数は存在するはずですが、その性質と値は謎でした。
場の量子論と真空エネルギー
場の量子論 (QFT) は、古典物理学、量子力学、および特殊相対性理論を橋渡しして、素粒子の挙動のモデルを作成します。電子やさまざまなクォークなど、基本的な粒子ごとに 1 つずつ、さまざまな量子場があります。準粒子は、場の量子論に由来する理論物理学の特に興味深いニッチです。
QFT では、空の空間は基本的にこれらの量子場で満たされた真空状態です。最も低いエネルギー密度レベルでは、これらのフィールドはすべて変動または励起を経験します。これは、ゼロ点または真空エネルギーが原因である可能性があります。実際、虚空に現れたり消えたりする仮想粒子と考えられることがよくあります。これらの粒子は、必然的にそれらを破壊する反粒子と一緒に作成されますが、存在しなくなる前に物理的な粒子と相互作用することができます.これは、ファインマン ダイアグラムがマッピングするように設計されているものです。
真空エネルギーは、真空の中で現れたり消えたりする、アクセスできない粒子の集まりに過ぎないのでしょうか?並べ替え。これは、宇宙の膨張率に影響を与える暗黒エネルギーの一種であることが知られています。真空エネルギーは、量子力学で可能な最低エネルギー状態であるゼロ点エネルギーの場合でもあります。それは、宇宙の真空の絶対零度で量子場が経験するゆらぎを指します。したがって、それに関連する理論もゼロ点エネルギーに言及することがよくあります。
宇宙の膨張と加速
アインシュタインの場の方程式には、真空エネルギーが宇宙で果たす役割と、それがなぜそれほど混乱を招くのかを理解するために重要ないくつかの要素が含まれています。 G とラムダの 2 つの定数があります。 G は重力の強さを表すニュートン定数で、ラムダはアインシュタインの宇宙定数です。これらの値は自然の定数です。つまり、空間のどこにでも同じように適用されます。もう 1 つの値 T は、宇宙の他のすべての種類のエネルギーを表します。方程式の反対側には、時空の曲線を定量化する 2 つの値 R があります。
興味深いことに、この方程式は、宇宙定数と宇宙の加速膨張との関係を明らかにしています。物理学者のサビーン・ホッセンフェルダーは、T がゼロのとき、方程式は空の空間を表すと説明しました。ラムダは真空のエネルギー密度になります。これは、真空エネルギーが実際に何であるかの核心に到達します。 Hossenfelder 博士は、関数 a(t) を「プラグイン」すると、 、宇宙のスケール係数を表す、アインシュタインの方程式では、結果は宇宙の膨張の加速が宇宙定数に比例するということです。
そのスケールが機能するとき、a(t) 、正の場合、宇宙内のオブジェクト間の距離が増加します。ラムダが正のとき、宇宙の膨張は加速します。これは、真空エネルギーがゼロではなく、加速を引き起こしていることを意味します。
これは物理学者を混乱させます。なぜなら、それが仮想粒子の束である場合、それらが互いに引き付け合うにつれてより多くの重力が発生し、宇宙が収縮すると考えるかもしれないからです.さらに不可解なのは、宇宙が膨張してもその密度が一定のままであることです。このように振る舞うエネルギーは他にありません。これが可能になるには、宇宙の真空エネルギーの量が増加する必要があります。
宇宙の混乱:定数の予測
真空エネルギーは、宇宙全体の空間に浸透する周囲のバックグラウンド エネルギーです。それは宇宙の加速膨張に関連していますが、その正確な性質や量についてはほとんどわかっていません。当然、物理学者はその性質と価値を理解したいと考えています。残念ながら、宇宙定数の謎を解明することは決して簡単なことではありません。
ファインマンとホイーラー
科学理論が「真空の大惨事」のようなあだ名を付けられるのは、決して良い兆候ではありません。 2 人の有名な物理学者、ジョン ウィーラーとリチャード ファインマンは、真空エネルギーのエネルギー密度の値が天文学的に巨大な数である 10 エルグ/cm であると予測したことで有名です。この値は非常に大きいため、ファインマンとホイーラーは、地球の海を沸騰させるのに必要なこの種のエネルギーはティーカップ 1 杯分だけであると述べています。この数の問題は、観測された宇宙とは大きく異なることです。
ファインマンとホイーラーが予測したほどの質量があるとすれば、宇宙は実際よりもはるかに速い速度で加速しているでしょう。その曲率も増加します。しかし、これは物理学者が観察するものではありません。これにより、科学界では、真空エネルギーの密度の予測値を、観測が示唆するよりも 100 等級を超える値であったため、「史上最悪の予測」と呼ぶ人もいます。
正しいか間違っているか?
宇宙には真空エネルギーを相殺する何か他のエネルギーがあるに違いないと結論する人もいます。科学者はこのエネルギーが何であるかをまだわかっていないため、その数学的予測は不完全であり、したがって不正確です.
実際には、ファインマンとホイーラーの予測は正確かもしれません。科学者は、電気の流れと同じように、エネルギーの違いしか測定できません。真空のエネルギーが宇宙のどこでも同じで、どこも変わらないとしたら、それは測定できません。真空エネルギーのゼロ点は、場の量子論に影響を与えたり無効にしたりしません。ファインマンとホイーラーの一見風変わりな予測は正しいかもしれません。しかし、この膨大な量のエネルギーは、宇宙のどこでも平衡状態にあるため、アクセスできません。
真空エネルギーの神話
残念なことに、真空エネルギーとゼロ点エネルギーを取り巻く話題の多くは、この無限のエネルギー源があらゆる種類のものに使用できるという大げさな理論に関係しています。これらの理論はほとんどナンセンスです。最も無意味なものの 1 つは、無料で無制限の電力源として使用でき、遠く離れた宇宙への移動さえも可能にするというものです。
残念ながら、これは不可能です。それは、世界中の海をほぼ無限の飲料水源として利用しようとするようなものです。人々は実際に海の水を飲むことはできません。少なくとも安全ではありません。同じように、はるかに大きなスケールでは、真空エネルギーがエネルギーになる可能性があります。ただし、いくらあっても電源として使えるわけではありません。
人は、平衡への移行からエネルギーを取り出してパワーとして使用します。これは、エネルギーが変化しているときにのみ行うことができます。宇宙全体ですでに安定している場合、単純に無限に吸い上げて電力として使用する方法はありません.変更されないため、アクセスする方法はありません。
宇宙の不思議なエネルギー
真空エネルギーは、単に宇宙の一定のバックグラウンド エネルギーです。物理学者は、その値またはエネルギー密度についていくつかの予測を行っており、宇宙の膨張の加速と関係があります。しかし、それを動力源やロケットの推進力として使用することは、SF の領域にとどまっています。
エリー・ポーヴァリー
