零点能量是什么

【专家解说】：物理中，零点能量（可简称零点能）是量子力学所描述的物理系统会有的最低能量，此时系统所处的态称为基态；所有量子力学系统都有零点能量。这个词汇起源于量子谐振子处在基态时，量子数为零的考量。 在量子场论中，这个词汇和真空能量是等义词，指的空无一物的空间仍有此一定能量存在，对一些系统可以造成扰动，并且导致一些量子电动力学会出现的现象，例如兰姆位移与喀希米尔效应；它的效应可在纳米尺度的元件直接观测的到。 在宇宙论中，真空能量被视为宇宙常数的来源，和造就了宇宙加速膨胀的暗能量相关。 因为零点能量是一系统可能持有的最低能量，因此此项能量是无法自系统移除。尽管如此，零点能量的概念以及自真空汲取“免费能量”的可能性引起了业余发明者的注目——许多“永动机”或称“免费能量装置”等的提案都运用这项概念来解释。这项热潮以及相伴的趣味理论诠释促成了大众文化中“零点能量”概念的成长，常出现在科幻书刊、游戏、电影等处。 [编辑本段]历史 于1900年，马克斯·普朗克导出单一“能量辐射子”("energy radiator")的能量式，能量辐射子即一个振动原子单元(vibrating atomic unit)： 此处h为普朗克常数，ν为频率，k为玻尔兹曼常数，以及T为温度。 于1913年，利用此式的基础，阿尔伯特·爱因斯坦与奥图·史特恩(Otto Stern)发表了一篇极重要的论文，首次提出所有振子在绝对零度时，仍存有的一种残余能量。他们以“残余能量”("residual energy")称之，也用德文的Nullpunktsenergie称呼，随后翻译为零点能量。他们做出了对于氢气在低温的比热分析，结论为：对于相关数据的最佳说明，是当振动能量采取如下形式： 因此，根据这样的表示法，即使在绝对零度，原子系统的能量仍有值½hν。 基础物理 在经典物理中，系统能量是种相对性的描述，必须按照与某个特定给定状态(常称为“参考态”)的相对关系来定义才有意义。通常的设定是将静止系统定为零能量，不过这种作法是任意性的。 在量子物理中，将能量与系统的哈密顿算符期望值做连结是很自然的作法。几乎所有量子力学系统，此算符的最低可能期望值通常不为零；此值即称为零点能量。 最小能量不为零的起源可以透过海森堡不确定原理来直观了解。此原理指出一量子粒子的位置与动量不可以同时被无限精确地得知。如果粒子被限制在无限深方形阱，则它的位置至少是部份清楚的——它必须在阱里。因此可以推论：粒子在阱里动量不能为零，否则不确定原理会被违反。又因为移动粒子的动能正比于速度平方，所以也不会是零。然而此例却不能用到自由粒子上，自由粒子的动能值可以是零。 [编辑本段]零点能量的各种形式 零点能量的概念出现在许多场合，而对这些场合做出区分是重要的，此外尚有许多与零点能量有密切关系的概念。 在普通量子力学中，零点能量是系统基态所具有的能量。这样的例子中最有名的是量子谐振子基态所具有的能量E=1/2hw。更精准地说，零点能量是此系统哈密顿算符的期望值。 在量子场论中，空间的织构(fabric)可以视作是由场所组成，而场在时间与空间中各点是个量子化的简谐振子，并且有相邻振子的相互作用。在这情况下，空间中各点都各有的贡献，导致技术上为无限大的零点能量。又一次，零点能量是哈密顿算符的期望值，但在这里，“真空期望值”这个词汇更常使用，而能量称为真空能量。 在量子微扰理论，有时候会说：基本粒子传递子(propagator)的单圈(one-loop)与多圈费曼图贡献，是来自于真空涨落(vacuum fluctuation)或者说来自于零点能量对于粒子质量的贡献。 [编辑本段]实验证据 要证明零点能量存在，量子场论中最简单的实验证据是喀希米尔效应(Casimir effect)。此效应是在1948年由荷兰物理学家亨得里克·喀希米尔(Hendrik B. G. Casimir)所提出，其考虑了一对接地、电中性金属板之间的量子化电磁场。可以在两块板子间量测到一个很小的力，这种力——称之为喀希米尔力，可直接归因于板子间电磁场的零点能量变化所造成。 喀希米尔效应一开始被视作不易探测，因为它的效应只能在极小距离被看到，然而此效应在纳米科技的重要性逐日增加。不仅是特殊设计的纳米尺度装置可轻易又精准地测量到喀希米尔效应，在微小装置的设计以及制程中，此一效应的影响也逐渐需要被考虑进去，以其会对纳米装置施加不小的力及应力，使得装置被弯折、扭转、相黏和断裂。 其他的实验证据包括有原子或核子的光（光子）自发放射(spontaneous emission)、原子能阶的兰姆位移(Lamb shift)、电子旋磁比(gyromagnetic ratio)的异常值(anomalous value)等等。 [编辑本段]引力与宇宙学 在物理宇宙学中，零点能量对于臆测为正值的宇宙常数提供了有意思的课题。简单说，若此能量真的存在，则其应当会施以引力。在广义相对论中，质量与能量等价；任何一者都会产生引力场。 这种关系联结其中一个最明显的困难是真空的零点能量是大得荒谬。天真地说，它是无限大的。不过可以辩称说：普朗克尺度下的新物理会让它在那样的尺度下有个截止点(cut-off)。即便如此，仍会有相当大的零点能量使得时空有明显的弯曲，而与现实相矛盾。对于此情形，至今没有简单的解决办法，而将“理论上似乎相当大的空间零点能量”，以及“观测到宇宙常数为零或很小”这两个情形作调和，是理论物理学中的重要问题之一，而这也变为对于万有理论候选者评比的一项标准。 [编辑本段]推进理论 另一个零点能量研究领域是在于如何用它来产生推进。美国国家航空航天局(NASA)与英国航太公司(British Aerospace)两个单位都有相关研究计划，不过要做出可用的技术仍有相当遥远的路要走。要在此领域中取得任何的成功，就必须能做到对量子真空制造出斥力效应(repulsive effect)；根据理论是可能的，而制造以及测量出这样效应的实验规划在未来要进行。 Rueda、Haisch及Puthoff[3][4][5]三人提出了一个加速中的质量体会与零点场相互作用，制造出一种电磁阻滞力(electromagnetic drag force)，而产生了“惯性”此一现象；细节参见随机电动力学(stochastic electrodynamics)。 [编辑本段]“免费能量”装置 喀希米尔效应使得零点能量成为一个没有争议、且科学界普遍接受的现象。然而“零点能量”一词却已经与一些具有争议性的领域牵扯上关系：设计与发明出所谓的“免费能量”装置("free energy" devices)，概念上与过去永动机(perpetual motion machines)有某种程度上的相似，在发展的成功度也相类似。在外国有许多业余爱好者投入研究，宣称有一定成果，甚至有专门讨论免费能量的网络论坛。这些人自创了一个字用来形容这类装置，叫做OVERUNITY，是指某个装置的输出能量大于输入能量。也有许多公司宣称成功研发这类装置。但是目前科学界似乎不接受这类发明与发现，这类公司也被批评为诈骗集团。