Zaktualizowano artykuł 30 września 2023
Energia punktu zerowego – nieustający ruch na poziomie kwantowym
Choć w fizyce temperatura jest często postrzegana jako miara intensywności losowego ruchu cząsteczek, można by przypuszczać, że gdy osiągnie ona wartość zera absolutnego, wszelki ruch ustaje, a cząsteczki zatrzymują się. Jednak w rzeczywistości energia punktu zerowego sprawia, że ten ruch nie zanika.
Energia punktu zerowego ma swoje korzenie w mechanice kwantowej (nauka o zachowaniu cząstek na poziomie subatomowym). Gdyby cząsteczki całkowicie się zatrzymały, ich składowe atomy miałyby dokładnie określone położenie i jednocześnie prędkość równą zero. Jednak zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, żaden obiekt nie może jednocześnie posiadać dokładnie określonych wartości zarówno położenia, jak i prędkości. Jest to wynik tzw. zasady nieoznaczoności (zasada, która mówi, że nie można dokładnie określić jednocześnie położenia i pędu cząstki). W związku z tym cząsteczki nigdy nie osiągają stanu całkowitego spoczynku.
Energia punktu zerowego w teorii kwantowej
Energia punktu zerowego odgrywa kluczową rolę w kwantowej teorii promieniowania. Wskazuje ona, że każdy mod pola o określonej częstotliwości ν posiada energię punktu zerowego równą ½ hν, gdzie „h” to stała Plancka (podstawowa stała fizyczna w mechanice kwantowej).
Ta energia pozwala na zrozumienie interakcji van der Waalsa, która zachodzi między dwoma atomami. Można ją interpretować poprzez analizę zmiany energii punktu zerowego w polu elektromagnetycznym. W skrócie, obecność materii wpływa na energię punktu zerowego, a jej charakter i rozmieszczenie determinują, jakie siły będą działać między ciałami makroskopowymi.
Jednym z najbardziej znanych efektów wynikających z energii punktu zerowego jest siła Casimira. Działa ona między nienaładowanymi, doskonale przewodzącymi płytkami i jest często nazywana „Efektem Kazimierza”.
Chociaż energia punktu zerowego jest nieodłącznym elementem mechaniki kwantowej, jej połączenie z ogólną teorią względności prowadzi do pewnych komplikacji. Wpływa ona na wartość stałej kosmologicznej, pierwotnie wprowadzonej przez Einsteina, która jest kluczowa dla opisu Wszechświata w jego równaniach pola.
Jednakże obliczona gęstość energii punktu zerowego, uwzględniająca wszystkie pola kwantowe, jest niezwykle wysoka. Nawet po uwzględnieniu ograniczeń na najwyższe dopuszczalne częstotliwości, wartość ta przekracza obserwowane limity o około 120 rzędów wielkości. Ta zagadka, nazywana „problemem stałej kosmologicznej”, pozostaje jednym z nierozwiązanych wyzwań w fizyce.
