Jo 1920 luvulla Dirac toi esiin negatiivisen energian käsitteen, kun hän tutki elektronien suhteellisuusteorian mukaista käyttäytymistä.Tämä oli suora seuraus Einsteinin yleisestä suhteellisuusteoriasta, joka antoi energialle kaksi vastakkaismerkkistä ratkaisua. Diracin teorian ja Paulin kieltosäännön mukaan kaikki negatiiviset energiatilat tyhjiössä olivat miehitettyjä. Dirac siis esitti, että tyhjiö on täynnä negatiivisen energian omaavia hiukkasia. Kyse oli niinsanotusta Diracin merestä.
Diracin meri kostuu positiivisen energian omaavista energiatiloista, jotka kaikki ovat miehittämättömiä. Kaikki negatiivisen energian tilat ovat sen sijaan miehitettyjä. Tämä on outo rakennelma. Olennaista siinä on kuitenkin, se että tyhjiön sisällä energiatasapaino saattaa hetkellisesti muuttua. Se tapahtuu niin, että negatiivisen energian täyttämään mereen syntyy aukko. Hiukkanen siirtyy positiivisen energian tasolle ja jättää taakseen aukon. Tämä aukko käyttäytyy, kuin hiukkanen. Myöhemmin löydettiin anti-elektroni, siis positroni. Näinollen, tyhjiössä tapahtuu tällaisia elektroni-positroniparien muodostumista jollakin tilastollisella tavalla.
Molemmilla muodostuneilla hiukkasilla on massa, ja energiaa.Energiaperiaatetta ei kuitenkaan ole rikottu, sillä on osoitettu tämän syntyneen energian pysyvän Heisenbergin epämääräisyysperiaatteen rajoissa.
Diracin teoriaa on kehitetty eteenpäin: 1930 luvultaon kehitetty kvanttikenttäteoriaa (QFT) ja sen jälkeen kvanttielektrodynamiikkaa (QED). Olennainen ajatus on kuitenkin sama.
Tämä tyhjiön ei-tyhjyys on tarpeellista selittämään monta muutakin asiaa. Einsteinilla oli suuria vaikeuksia yleisen suhteellisuusteoriansa kanssa. Hänen tensorinsa antoivat ratkaisuksi määrittelemättömän termin: kosmologinen vakio. Teoria ei antanut mitään osviittaa siihen, mikä olisi tämän olennaisen parametrin arvo. Jos se olisi positiivinen, avaruus laajenisi kiihtyvästi. Jos taas negatiivinen, silloin maailmankaikkeus on sykkivästi supistuva. Myöhemmät havainnot osoittavat, että tällä vakiolla tulisi olla positiivinen arvo.
Tyhjiöenergia luonnollisesti on hyvä kandidaatti selittämään positiivisen kosmologisen vakion. Näillä tasaiseen tahtiin muodostuvilla elektroni-positroni pareilla on keskimäärin tietty energia ja massa tietyssä tilavuudessa. Voidaan ajatella, että avaruudessa on massaa ja energiaa, vaikka se onkin kovin erilaisessa muodossa, kuin olemme tottuneet näkemään.
Tuossa kaikessa ei ole mitään uutta. Perustavaa laatua oleva ongelma on siinä, että nämä kvanttikenttäteoriat antavat erittäin suuren arvon kosmologiselle vakiolle suhteessa siihen, mitä tähtitieteilijät ovat havainneet. Ero massiivinen. Kvanttikenttäfyysikoiden arvo on kosmologien arvoa suurempi kertoimella, jossa on 130 nollaa /1/.
Jos kvanttikenttäteoreetikot ovat oikeassa, kuutiosenttimetri tyhjyyttä sisältää kilowattitunteja semmoisen määrän, että sen luvun kuvaamiseen tarvitaan sata nollaa. Tyhjiöenergian olemassaolo on todistettu jo vuonna 1948 hollantilaisen Casimirin toimesta. Hänen nimeään kantava Casimir efekti tarkoittaa sitä, että kaksi metallilevyä vetää toisiaan puoleensa, kun ne asetetaan hyvin lähelle toisiaan.
Levyjen välinen Casimir vetovoima johtuu siitä, että levyjen välissä Schrödingerin aaltoyhtälön ratkaisut ovat seisovia aaltoja ja näillä aalloilla on levyjen etäisyydestä riippuvat energiamäärät. Koska voima on energian gradientti, silloin seurauksena on vetovoima, koska energia pienenee levyjä lähennettäessä.
Pelkällä Casimir voimalla ei luonnollisesti pysty tuottamaan energiaa. Se toimii, kun jousi. Se ottaa vastaan saman energian, kun tuottaa.
Viime aikoina eri tahoilla on kehitelty ajatusta eräänlaisesta tyhjiöenergian Carnot koneesta, jolla tyhjiöenergiaa saataisiin hyödynnettyä jalostamalla Casimir voimaa sellaiseksi sykliksi, joka tuottaisi energiaa ulkoiseen järjestelmään /2, 3/.
Tulee olemaan mielenkiintoista seurata tämän tutkimusalueen kehittymistä. Onnistuessaan tyhjiöenergian hyödyntäminen muuttaisi maailman. Energiasta tulisi taas halpaa, oikeastaan ilmaista.
/1/ http://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_energy
/2/ http://prola.aps.org/abstract/PRE/v48/i2/p1562_1
/3/ http://www.calphysics.org/articles/Davis_STAIF06.pdf
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti