我們能夠利用量子真空能量嗎

時(shí)空結(jié)構(gòu)中充滿了振動(dòng)的量子場(chǎng)，也就是真空能量。它就在那里，我們目光所及之處，都能看到它。但我們能從中得到什么嗎?

我們甚至可以計(jì)算出真空能量的強(qiáng)度。當(dāng)我們應(yīng)用量子力學(xué)規(guī)則來(lái)確定場(chǎng)在孤立狀態(tài)下的振動(dòng)程度時(shí)，我們得到的結(jié)果是……無(wú)窮大。沒(méi)錯(cuò)，每一點(diǎn)時(shí)空都充滿了無(wú)限的能量。這是因?yàn)檫@些場(chǎng)的振動(dòng)次數(shù)是沒(méi)有限制的。小振動(dòng)、中等振動(dòng)和大振動(dòng)都同時(shí)發(fā)生在每個(gè)量子場(chǎng)中。

等等，等等——場(chǎng)怎么可能擁有無(wú)限的能量，但仍然有更多的能量來(lái)產(chǎn)生粒子呢?為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們可以看看荷蘭物理學(xué)家亨德里克·卡西米爾設(shè)計(jì)的一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)。

如果你把兩塊金屬板粘得非常非常近，那么這兩塊金屬板之間的量子場(chǎng)就必須以某種方式運(yùn)行。它們的振動(dòng)波長(zhǎng)必須與金屬板之間完全吻合，就像吉他弦上的振動(dòng)波長(zhǎng)必須與弦的長(zhǎng)度吻合一樣。在量子情況下，金屬板之間仍然有無(wú)數(shù)次振動(dòng)，但金屬板之間的無(wú)限振動(dòng)沒(méi)有金屬板外部的那么多。

運(yùn)用一些巧妙的數(shù)學(xué)知識(shí)，我們可以將兩種無(wú)窮大相減，得出一個(gè)有限數(shù)。這意味著兩塊板外的量子振動(dòng)確實(shí)比板內(nèi)的多。這可以得出這樣的結(jié)論：板外的量子場(chǎng)將兩塊板推到一起，這就是所謂的卡西米爾效應(yīng)。我們可以測(cè)量這種效應(yīng)，并驗(yàn)證量子場(chǎng)確實(shí)存在。

所有這些理論和實(shí)驗(yàn)都得出了一個(gè)驚人的結(jié)論。世界上所有的物理現(xiàn)象、每一次相互作用、每一個(gè)過(guò)程和動(dòng)作都發(fā)生在一個(gè)充滿無(wú)限真空能量的舞臺(tái)上。盡管這幅圖景很奇怪，但它是數(shù)十年來(lái)對(duì)量子理論研究的結(jié)果。

目前，我們無(wú)法利用這種能量并利用它做任何有用的事情。這是因?yàn)樗怯钪嬷心芰孔畹偷臓顟B(tài)。要完成工作，你必須有能量差異，你需要從一個(gè)地方提取能量，對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后將其放在其他地方。

我們無(wú)法利用真空能量，因?yàn)檎婵漳芰繜o(wú)處可去。這就像試圖讓電梯越過(guò)建筑物的最低層——它停在一樓，因?yàn)橄旅鏇](méi)有其他樓層。

說(shuō)到卡西米爾效應(yīng)，我們首先必須向系統(tǒng)投入能量，才能將板塊排列在一起。當(dāng)板塊開(kāi)始移動(dòng)時(shí)，我們只是收回了投入的能量，沒(méi)有產(chǎn)生任何凈能量。

科幻宇宙中有許多想法提出利用真空能量為星際飛船或其他先進(jìn)推進(jìn)器提供動(dòng)力。雖然這些想法與既定的物理學(xué)背道而馳，但我們必須承認(rèn)，我們并不完全了解物理學(xué)的一切……尤其是真空能量。我們做錯(cuò)事的最大線索不是與亞原子尺度有關(guān)，而是與宇宙有關(guān)。

20 世紀(jì) 90 年代末，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹正在加速。這種加速膨脹最簡(jiǎn)單的解釋是宇宙的真空能量。但由于我們可以測(cè)量膨脹率，我們可以用它來(lái)估算真空能量的總量，我們得到每立方米空間中大約有 6 x 10 -10焦耳。

那不是……無(wú)限。所以我們有一個(gè)問(wèn)題。一方面，我們有一組亞原子計(jì)算、預(yù)測(cè)和測(cè)量，它們告訴我們真空能量是無(wú)限的。另一方面，我們有一個(gè)宇宙測(cè)量，它告訴我們真空能量的數(shù)量真的非常小。

到底發(fā)生了什么?我們不知道。這是現(xiàn)代物理學(xué)中最大的未解問(wèn)題之一。如果我們想找到一種方法來(lái)利用真空能量，那么首先我們必須了解它到底是什么。無(wú)論我們?cè)谀抢锇l(fā)現(xiàn)什么，都會(huì)涉及新的物理學(xué)，誰(shuí)知道新的物理學(xué)會(huì)為我們揭開(kāi)什么謎團(tuán)呢?

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