Energia del punt zero
De Viquipèdia
En física, el punt d'energia Zero és la més baixa energia possible que un sistema físic, segons la mecànica quàntica, pot tenir, i aquesta és l'energia en l'estat estacionari del sistema. El concepte del punt d'energia zero fou proposat per Albert Einstein i Otto Stern l'any 1913, i fou anomenat per ells mateixos “punt d'energia zero” (en Alemany: Nullpunktsenergie). Tots els sistemes de mecànica quàntica tenen un punt d'energia zero. El terme sorgí en referència al estat més baix d'un oscil·lador harmònic quàntic i la seva oscil·lació nul·la. En la teoria dels camps quàntics, és un sinònim de l'energia del buit, una quantitat d'energia associada amb l'anomenat vacuum o espai buit. En cosmologia es considera que l'energia de l'espai buit podria originar la costant cosmològica. Experimentalment, l'energia del punt zero del buit condueix directament a l'efecte Casimir, i es observable directament en els mecanismes nanoescalars.
Degut a que l'energia del punt zero és la més baixa possible que pot tenir un sistema,aquesta energia no pot ser eliminada del sistema. Un terme relacionat és el camp del punt zero, que és l'estat menor d'energia d'un camp, per exemple: el seu estat estacionari, que no és zero.[1]
Malgrat la definició, el concepte d'energia del punt zero, i el suggeriment de la possibilitat d'extreure “energia lliure” del buit, ha atret l'atenció dels inventors amateurs. Nombrosos mòbils perpetus i altres mecanismes pseudocientífics, sovint anomenats mecanismes de l'energia lliure, exploten la idea proposada. Com a resultat d'aquesta activitat, i la seva intrigant explicació teòrica, ha pres vida d'ella mateixa a la cultura popular, apareixent en els llibres de ciència ficció, jocs i pel·lícules.
Taula de continguts |
[edita] Història
L'any 1900, Max Planck deduí la formula de l'energia d'un “element radiant únic”, per exemple una unitat atòmica radiant, com a:
- Aquí, h és la constant de Planck, ν és la freqüència, k és la constant de Boltzmann, i T és la temperatura.
l'any 1913, usant aquesta fórmula com a base, Albert Einstein i Otto Stern publicaren un escrit de gran importància en el que suggerien per primera vegada l'existència d'una energia residual que tots els oscil·ladors tenen a la temperatura del zero absolut. L'anomenaren “energia residural” i llavors Nullpunktsenergie (en alemany), que va ser traduïda després com a energia del punt zero. Efectuaren una anàlisi del cas específic de l'hidrogen a baixa temperatura, i van poder concloure que aquesta dada pot ser representada millor si l'energia de la vibració pren la forma:[2]
Per tant, d'acord amb aquesta expressió, inclús a la temperatura del zero absolut l'energia d'un sistema atòmic té el valor ½hν.[3]
[edita] Fonaments físics
En física clàssica, l'energia d'un sistema es relativa, i es defineix només en relació un estat dat (sovint anomenat estat de referència). Es podria associar un sistema sense moviment amb l'energia zero, però això és purament arbitrari.
En física quàntica, és natural associar l'energia amb el valor esperat d'un operador, el hamiltonià del sistema. Per quasi tots els sistemes, en mecànica quàntica, el valor esperat més baix possible que es pot obtenir no és zero; aquest valor més baix possible es anomenat l'energia del punt zero. (Teniu en compte que si afegim una constant arbitrària al hamiltonià, obtenim una altra teoria que es equivalent físicament al hamiltonià previ. Per causa d'això, només es pot observar una energia relativa, no absoluta. Això no canvia el fet de que el moment mínim, sigui com sigui, és distint de zero.)
L'origen d'una energia mínima que no és zero pot ser entès intuïtivament en termes del principi d'incertesa de Heisemberg. Segons aquest principi la posició i el moment d'una partícula que obeeix la mecànica quàntica no poden ser coneguts ambdós amb una precisió arbitrària. Si la partícula està confinada en un pou de potencial, llavors la seva posició es coneguda en part, al menys. Llavors, es pot deduir que la partícula dins el pou no pot tenir moment zero, perquè en aquest cas es violaria el principi d'incertesa. Degut a que l'energia cinètica d'una partícula que es mou és proporcional al quadrat de la velocitat, tampoc pot ser zero. Aquest exemple, de totes maneres, no és aplicable a una partícula lliure – la seva energia cinètica pot ser zero.
[edita] Diversitat d'energies del punt zero
La idea que l'energia del punt zero es dóna en un nombre de situacions, i és important distingir-les, també és important adonar-se de que hi ha molts de conceptes relacionat de manera molt estreta.
Generalment en mecànica quàntica, l'energia del punt zero és l'energia associada a l'estat fonamental del sistema. L'exemple més famós es l'energia
(on ω és la freqüència pròpia d'oscil·lació, a vegades escrit ω0) associada a l'estat fonamental de l'oscil·lador quàntic harmònic. De forma més precisa, l'energia del punt zero és el valor esperat del hamiltonià del sistema.
Per la teoria quàntica de camps, l'estructura del espai es visualitza com a constituïda per camps, amb el camp quantificat a cada punt de l'espai i el temps per un oscil·lador harmònic simple, amb oscil·ladors veïns interaccionant. En aquest cas cada un té una contribució de
des de cada punt de l'espai, de forma que resulta tècnicament una energia del punt zero infinita. L'energia del punt zero és també el valor esperat del hamiltonià; aquí, de totes maneres, s'usa més sovint la frase valor esperat del buit, i l'energia s'anomena energia del buit.
En teoria de pertorbacions quàntica, es diu a vegades que la contribució dels diagrames de Feynman de un loop i de multi-loop als propagadors de partícules elementals són la contribució de les fluctuació del buit|fluctuacions del buit]] o l'energia del punt zero a les masses de les partícules.
[edita] Demostració experimental
La demostració experimental més simple de l'existència de l'energia del punt zero en teoria quàntica de camps és l'efecte Casimir. Aquest efecte fou proposat l'any 1948 pel físic neerlandès Hendrick B. G. Casimir, que estudià el camp electromagnètic quantitzat entre un parell de làmines metàl·liques neutres, connectades a terra. Es pot mesurar una petita força entre les dues làmines, que es pot atribuir a una modificació de l'energia del punt zero del camp electromagnètic entre les dues làmines.
Encara que l'efecte Casimir al principi es va mostrar difícil de mesurar, degut a que els seus efectes només es poden veure a distàncies molt curtes, aquest efecte és cada vegada de més importància en nanotecnologia. L'efecte Casimir no només es fàcil i acuradament mesurat en aparells especialment dissenyats a escales nanomètriques, sinó que augmenta la necessitat de tenir-lo en compte per dissenyar i en els processos de mecanismes diminuts. Pot exercir forces significatives i pressió en els mecanismes de dimensions nanomètriques i causar que es puguin tòrcer, girar, enganxar i rompre.
Una demostració experimental n'és l'emissió espontània de fotons per àroms i nuclis atòmics, el desplaçament Lamb observat de les posicions dels nivells d'energia dels àtoms, el valor anòmal de la raó giromagnètica de l'electró, etc.
[edita] Articles relacionats
- Desplaçament Lamb
- Llista de problemes no resolts de Física



