Energia de vácuo

A energia do vácuo é o caso especial da energia do ponto zero de um sistema quântico, onde o "sistema físico" não contém material. Esta energia corresponde à energia do ponto zero de todos os campos quânticos do espaço, que, para o modelo padrão , inclui o campo eletromagnético , os campos de calibre e campos fermiônicos e o campo de Higgs électrofáível . É a energia do vácuo que, na teoria quântica de campos, não é definida como espaço vazio, mas como o estado fundamental dos campos. Isso implica que, mesmo na ausência de qualquer matéria, o vácuo tem uma energia de ponto zero, flutuante, tanto maior quanto pequeno o volume considerado.

Em cosmologia , a energia do vácuo é uma explicação possível para a constante cosmológica .

A energia do vácuo é uma energia subjacente que existe em todos os lugares do espaço , através do universo . Uma possível contribuição para a energia do vácuo são as partículas virtuais , definidas como pares de partículas que aparecem e se aniquilam imediatamente, em um período de tempo tão curto que não podem ser observadas. Eles estariam assim presentes em todo o Universo. Seu comportamento é codificado na relação tempo-energia do princípio da incerteza de Heisenberg . No entanto, o efeito preciso de tais flashes de energia é difícil de quantificar.

No entanto, os efeitos da energia do vácuo podem ser observados experimentalmente em vários fenômenos como a emissão espontânea , o efeito Casimir ou o deslocamento de Lamb , e acredita-se que influenciam o comportamento do Universo em uma escala cosmológica .

Referindo-se ao limite superior da constante cosmológica , a energia do vácuo foi estimada em 10 −9 joules (10 −2 ergs) por metro cúbico. Mas de acordo com a eletrodinâmica quântica e a eletrodinâmica estocástica, para ser consistente com o princípio de invariância de Lorentz e o valor da constante de Planck , ela deveria ter um valor da ordem de 10 113 joules por metro cúbico. Essa enorme discrepância foi chamada de “ catástrofe do vácuo ”.

História

Em 1934, Georges Lemaître usou uma incomum equação de estado de gás ideal para interpretar a constante cosmológica como sendo devida à energia do vácuo. Em 1948, o efeito Casimir forneceu um método experimental para verificar a existência de energia de vácuo. No entanto, em 1955, Evgeny Lifshitz propôs uma origem diferente Para o efeito Casimir. Em 1957, Tsung-Dao Lee e Chen Ning Yang provaram o conceito de quebra de simetria e violação de paridade, pelo qual ganharam o Prêmio Nobel.

Em 1973, Edward Tryon propôs a hipótese da energia zero do universo que afirma que o universo pode ser uma flutuação em grande escala no vácuo quântico onde a energia - massa positiva é balanceada pela energia potencial gravitacional negativa.

Na década de 1980, muitas tentativas foram feitas para relacionar os campos que geram energia do vácuo a campos específicos previstos por tentativas da teoria da Grande Unificação e usar observações do Universo para confirmar uma ou mais a outra versão. No entanto, a natureza exata das partículas (ou campos) que geram a energia do vácuo, com uma densidade idêntica à exigida pela teoria da inflação, permanece um mistério.

Descrição

A densidade média de energia e pressão gerada por flutuações no vácuo quântico , evidenciada em escalas muito pequenas pelo efeito Casimir , às vezes é também chamada de " energia de ponto zero ". A densidade média de energia do vácuo em escalas cosmológicas, evidenciada pela observação da aceleração da expansão do universo , calculada a partir dessas observações (da ordem de 10 −29 g cm 3 ) está associada à energia escura , bem como à constante cosmológica .

Historicamente, o termo “energia do vácuo” está mais associado às flutuações quânticas e ainda é amplamente usado neste sentido. É apenas relativamente recentemente (no final da década de 1990 ) que esse termo também é usado para se referir à densidade de energia do vácuo em grande escala, o que leva à confusão. É por isso que o conceito de energia escura foi cunhado e deve ser usado preferencialmente para "energia do vácuo" para denotar a densidade de energia do vácuo em grandes escalas .

A densidade de energia média das flutuações quânticas em grande escala é, em princípio, perfeitamente zero. No entanto, algumas teorias Predizem um efeito residual em grande escala das flutuações, se algumas partículas virtuais criadas pelas flutuações se estabilizarem no condensado de Bose-Einstein . Mas os modelos teóricos correspondentes ainda não foram desenvolvidos, e a própria possibilidade de condensados estáveis em grande escala não foi demonstrada.

Com a conclusão da construção e partida do Grande Colisor de Hádrons , os cientistas esperam aprender mais sobre essa “energia do vácuo”.

Quantidade aproximada

Energia de ponto zero de osciladores harmônicos quânticos

Uma forma de avaliar quantitativamente essas flutuações é modelar o vácuo como a superposição de um infinito (no espaço e na frequência ω) de osciladores eletromagnéticos harmônicos mínimos e independentes colocados a uma temperatura de zero absoluto . De acordo com a teoria de campo , mesmo em zero absoluto, a energia mecânica quântica mínima de cada oscilador é:

{\ displaystyle E = {\ frac {1} {2}} \ hbar \ omega = {\ frac {1} {2}} {\ frac {\ hbar .c} {\ bar {\ lambda}}}}

( lê "barra lambda", assim anotado em resposta a "barra h"). ${\ displaystyle {\ bar {\ lambda}}}$

Essa energia mínima está na origem da famosa energia do ponto zero. Cada oscilador mínimo pode ser visualizado como ocupando um volume de , onde k é um fator numérico "próximo a 1". Por exemplo, uma onda pode ser confinada em uma cavidade refletora com meio comprimento de onda lateral, que é o quantum mínimo que permite que tal onda seja expressa; mas pode acomodar cavidades que representam múltiplos dessa quantidade; para uma cavidade desse tamanho, a amplitude dessa onda é então zero nas paredes e máxima no centro. Como estamos apenas procurando por uma ordem de magnitude, podemos dizer que esta onda está confinada em um volume da ordem de λ3, eliminando os fatores numéricos próximos a 1. Isso implica que a densidade de energia correspondente U ω para a frequência ω é assim: ${\ displaystyle \ scriptstyle V = k \ cdot {\ bar {\ lambda}} ^ {3}}$

{\ displaystyle U _ {\ omega} = {\ frac {\ hbar \ cdot \ omega} {\ lambda ^ {3}}} = {\ frac {\ hbar \ cdot \ omega ^ {4}} {c ^ { 3}}}}

Divergência e renormalização

Qual é então a densidade total de energia dessa energia do ponto zero integrada em todas as frequências? Quando a energia dos osciladores assim modelados é integrada sobre o conjunto de frequências possíveis, até uma frequência máxima t , Milonni mostra que a densidade de energia total (t), devido ao fato do volume de integração variar com a frequência, é igual para

{\ displaystyle U_ {t} = {\ frac {\ hbar \ cdot \ omega _ {t}} {\ lambda ^ {3}}} = {\ frac {\ hbar \ cdot \ omega _ {t} ^ {4 }} {c ^ {3}}}}

A fórmula é igual à anterior, exceto que agora a frequência considerada varia de zero à frequência máxima ω t .

Agora, se assumirmos que ω não tem limite físico e que uma frequência eletromagnética pode ser infinita, então quando ω se aproxima do infinito, a densidade de energia do vácuo também seria infinita. Essa abordagem, então, impõe uma “renormalização” em uma direção ou outra.

Além disso, por renormalização , sem nos preocuparmos muito com a soma total infinita, calculamos apenas as variações dessa energia de ponto zero do vácuo, observada pelo efeito Casimir (que se torna a força de van der Waals a uma distância muito curta). Este efeito Casimir também pode ser descrito por trocas virtuais de fótons que, na verdade, são uma descrição parcial das flutuações de movimento do ponto zero do vácuo.

Frequência de corte

Uma maneira de avaliar quantitativamente essas flutuações é considerar a frequência de Planck como a maior frequência detectável. Com efeito, como dois acontecimentos distintos não podem ser separados por menos do que o tempo de Planck $t P$ , o período de um fenómeno físico não pode ser menos do que $t P$ , pelo que a sua frequência não pode ser maior do que $1 / T P$ .

Quando a energia dos osciladores assim modelados é integrada sobre todas as frequências possíveis, até uma frequência de corte igual à frequência de Planck , a energia é igual a:

{\ displaystyle U_ {t} = {\ frac {\ hbar \ cdot \ omega _ {p}} {\ lambda ^ {3}}} = {\ frac {\ hbar \ cdot \ omega _ {p} ^ {4 }} {c ^ {3}}}}

A fórmula é igual à anterior, exceto que agora a frequência considerada varia de zero à frequência de corte ω p .

{\ displaystyle \ omega _ {\ mathrm {P}} = {\ sqrt {\ frac {2 \ pi {c ^ {5}}} {hG}}} = {\ sqrt {\ frac {c ^ {5} } {\ hbar {G}}}} = {\ frac {c} {\ ell _ {\ mathrm {P}}}}}

A densidade de energia resultante é então:

{\ displaystyle U_ {t} = {\ frac {\ hbar \ cdot \ omega _ {p} ^ {4}} {c ^ {3}}} = {\ frac {\ hbar} {c ^ {3}} } \ cdot {\ big (} {\ frac {c ^ {5}} {\ hbar {G}}} {\ big)} ^ {2} = {\ frac {c ^ {7}} {\ hbar \ cdot G ^ {2}}}}

A densidade de energia de um vácuo é, portanto, a densidade de energia de Planck , ou pressão de Planck : 4,633 09 × 10 113 pascais , ou tantos N / m² ou J / m³.

Efeito na curvatura do espaço-tempo

Essa densidade de energia leva, em princípio, a efeitos físicos, mensuráveis na curvatura do espaço-tempo . No entanto, macroscopicamente, referindo-se ao limite superior da constante cosmológica , a energia do vácuo como fisicamente observável foi estimada em 10 −9 joules (10 −2 ergs) por metro cúbico, ou também da ordem de ~ 5 GeV / m³.

Por outro lado, a abordagem teórica leva a uma energia enorme, seja infinita ou "simplesmente" limitada à densidade de energia de Planck , 4,633 09 × 10 113 pascals .

Para a física teórica , essa diferença, da ordem de 10 120 entre a teoria quântica e a observação astronômica, foi qualificada como uma " catástrofe do vácuo ": por que a energia do vácuo observável não corresponde ao valor calculado, com um desvio impensável de um fator de 120? No entanto, essa diferença deve ser colocada em perspectiva, a questão mais parecendo ser "por que a violência das flutuações quânticas, provavelmente realizada em escala quântica, não é observável em nossa escala?" "

O problema do valor total imensamente grande da energia do ponto zero do vácuo continua sendo um dos problemas fundamentais não resolvidos da física, porque resta descobrir os fenômenos físicos com energia oposta, que permitem explicar o baixo valor observado. constante cosmológica da energia do vácuo.

Extrair energia do vácuo?

Porém, como esta é a energia mínima possível, não é possível extrair energia utilizável desse vácuo, ao contrário de algumas proposições de ficção científica. Na melhor das hipóteses, pode-se armazenar energia em superfluidos ou correntes supercondutoras perpétuas (que estão em sua energia de ponto zero) e recuperá-la posteriormente, parando-as.

Efeito casimiro

O efeito Casimir é a atração entre duas placas separadas por um vácuo.

Às vezes é visto como uma pista de que poderíamos extrair energia de um vácuo, mas isso é para esquecer que uma energia não se limita a uma força: é o produto, por exemplo, de uma força (variável de intensidade) por um deslocamento (posição variável). A conservação de energia não é violada neste caso. Na verdade, ao mover as placas, modificamos os comprimentos de onda possíveis e, portanto, a energia do próprio vácuo irá variar. O vácuo deve, portanto, ser considerado como um meio simples, com o qual é possível trocar energia, modificando assim o seu estado de energia. Não pode fornecer energia indefinidamente, todas as outras coisas sendo iguais.

Além disso, um sistema cíclico, modelado em um motor de pistão, envolveria retornar as placas às suas posições anteriores, e empurrá-las de lado novamente, a existência da força de Casimir envolveria gastar mais energia do que em sua ausência (exceto para retornar o " pistão "sem vis-à-vis, e para retornar o vis-à-vis em translação em um plano perpendicular ao movimento do pistão, o que necessariamente exigirá energia).

Custo de extração de energia

O termo energia do vácuo é algumas vezes usado por certos "cientistas" , Alegando que é possível extrair energia - isto é, do trabalho mecânico , calor ... - do vácuo, e assim ter, idealmente, um gigantesco e fonte de energia virtualmente inesgotável.

O problema, entretanto, é menos extrair energia do vácuo do que extraí-la sem gastar mais energia do que se pode esperar recuperar dele. No caso de Hawking, a radiação dos buracos negros é uma massa que acaba sendo convertida em energia, que, portanto, não foi obtida "de graça".

Essas diferentes hipóteses despertam grande ceticismo entre muitos pesquisadores, pois questionam um princípio aceito na física, que até agora nunca foi falhado: a conservação da energia , de acordo (como todas as invariâncias) com o teorema de Noether . Esse princípio, ainda observado na escala macroscópica, sugere que extrair energia do vácuo exigiria pelo menos tanta energia, senão provavelmente mais, do que o processo de sua recuperação forneceria. O problema é próximo ao do movimento perpétuo e fundamentado Em qualquer caso, nas mesmas expectativas.

Na ficção científica

A energia vazia parece ser uma das principais fontes de energia usadas pelos Alderans , também chamados de Ancients nas séries Stargate SG-1 e Stargate Atlantis . Os chamados geradores EPPZ ou E2PZ (Zero Point Potential Extractor) exploram a energia de um subespaço artificial e têm, em essência, uma capacidade finita. Os alteranos, por meio do projeto Arcturus, estão tentando superar essa limitação decidindo aproveitar a energia de nosso próprio espaço-tempo . Mas este experimento é um fracasso, devido às flutuações imprevisíveis inerentes à expansão do nosso universo.

É também a energia usada pela humanidade no romance 3001: The Final Odyssey de Arthur C. Clarke . O uso excessivo dessa energia tem causado o aquecimento global, para o qual a humanidade encontrou uma solução.

Notas e referências

(fr) Este artigo foi retirado parcial ou totalmente do artigo da Wikipedia em inglês intitulado " Vacuum energy " ( veja a lista de autores ) .

(in) Sean Carroll, Sr. Research Associate - Física, California Institute of Technology , 22 de junho de 2006, C-SPAN transmissão de Cosmologia no Painel de Ciência anual Kos, Parte 1.
(en) " O Poder da Zero Point: História e Perspectivas Marc Hermans - 2003 " na users.skynet.be (acessado em 1 st outubro 2010 ) .
Desde o universo é apenas Spacetime . Macken, John. (2015). 10.13140 / RG.2.1.4463.8561, p. 62
Milonni, PW: O vácuo quântico: uma introdução para electrodinâmica quântica. p. 49 Academic Press Inc., San Diego (1994)
(em) H Zinkernagel SE Rugh " O vácuo quântico e o problema da constante cosmológica " , Estudos em História e Filosofia da Ciência Parte B: Estudos em História e Filosofia da Física Moderna , vol. 33, n o 4, 2002, p. 663–705 ( DOI 10.1016 / S1355-2198 (02) 00033-3 , leia online ).
" Press Release (2003) - A energia do vácuo é realmente o principal componente da densidade do Universo?" » , Em cnes.fr , CNES .
" Projeto Arcturus " , no SGCommand (acessado em 5 de agosto de 2020 ) .

Veja também

links externos