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量子能源革命:我们能否驾驭神秘的量子真空能量?

2024-08-24科学

在我们的宇宙中,时空的织体在不停地振动,这种振动来自被称为真空能量的量子场。无论我们望向何方,这种能量无处不在。那么,我们能否利用这无处不在的能源呢?

我们甚至能够计算出这种真空能量的强度。当我们运用量子力学的规则,来确定这些场在孤立状态下的振动强度时,结果却是……无限。没错,每一点时空都充满了无限的能源。这是因为量子场可以有无限多的振动模式,从小振动到大振动,它们同时在每一个量子场中发生。

但等等,如果这些场已经有了无限的能量,它们怎么还能有多余的能量来产生粒子呢?要解答这个问题,我们可以借助荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔设计的精妙实验。

想象一下,如果你将两块金属板非常紧密地放在一起,那这些板之间的量子场就会以一种特定的方式振动。它们的振动波长必须完美适应板间的空间,就像吉他弦的振动波长必须适应弦的长度一样。在量子情况下,虽然板间仍有无限多的振动模式,但相比板外,板内的振动模式要少得多。

通过一些巧妙的数学计算,我们可以将这两种无限大的能量进行相减,得出一个有限的数值。这意味着在两块板外的量子振动确实比板内的多。这就引出了卡西米尔效应的结论:板外的量子场会将两块板推向一起。我们可以测量这种效应,验证量子场的存在。

所有这些理论和实验结果汇聚成一个惊人的结论:世界上所有的物理现象,每一次相互作用、每一个过程和行动,都发生在一个充满无限真空能量的舞台上。尽管这个画面听起来很奇怪,但它是数十年对量子理论研究的结果。

目前,我们没有办法利用这种能量做任何有用的事情,因为它代表了宇宙的最低能量状态。要完成工作,我们需要有能量差,需要从一个地方提取能量,转化它,并放到另一个地方。我们无法从真空能量中提取能量,因为真空能量已经处于最低状态,就像电梯无法下降到地下室以下一样。

当涉及到卡西米尔效应时,我们必须首先向系统投入能量,将板组合在一起。当板开始移动时,我们只是回收了我们投入的能量,并没有实现能量的净增加。

在科幻小说中,有许多想法提议利用真空能量来驱动星际飞船或其他高级推进系统。虽然这些想法与现有的物理学理论相悖,但我们不得不承认,我们对物理学的理解,特别是对真空能量的理解,还远远不够。我们对真空能量的理解出错的最大线索不是在亚原子尺度上,而是在宇宙尺度上。

在20世纪90年代末,天文学家发现宇宙的膨胀正在加速。宇宙加速膨胀的最简单解释就是真空能量。但因为我们能够测量膨胀速率,我们可以用它来估计真空能量的总量,结果发现每立方米空间大约有6 x 10^-10焦耳。

这个数值……并不是无限大。所以我们面临一个问题。一方面,我们的亚原子计算、预测和测量结果告诉我们,真空能量是无限的。另一方面,我们的宇宙测量结果却告诉我们,真空能量实际上是非常非常小的。

这是怎么回事?我们目前还不清楚。这是现代物理学中最大的未解之谜之一。如果我们想要找到利用真空能量的方法,那么我们首先需要理解它到底是什么。我们在探索过程中发现的任何新物理现象,都可能为我们打开新的大门。