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負のエネルギーは、重力場やさまざまな量子場効果を含む特定の場の性質を説明するために物理学で使用される概念です。
重力エネルギー
重力エネルギー、または重力位置エネルギーは、質量のある物体が重力場内にあるために持つ位置エネルギーです。古典力学では、2 つ以上の質量には常に重力位置があります。エネルギー保存則では、この重力場エネルギーは常に負であるため、物体が無限に離れている場合はゼロになります。2 つの物体が離れ、それらの間の距離が無限に近づくと、それらの間の重力は実数線の正の側からゼロに近づき、重力位置は負の側からゼロに近づきます。逆に、2 つの質量のある物体が互いに近づくと、重力によって動きが加速し、システムの (正の) 運動エネルギーが増加します。エネルギーの総和を保存するために、物体の重力位置エネルギーの同じ量の増加は負として扱われます。[1]
正のエネルギーが優勢な宇宙は、最終的にはビッグクランチで崩壊するが、負のエネルギーが優勢な「開いた」宇宙は、無限に膨張するか、最終的にはビッグリップで崩壊する。ゼロエネルギー宇宙モデル（「平坦」または「ユークリッド」）では、宇宙のエネルギーの総量は正確にゼロである。物質の形での正のエネルギーの量は、重力の形での負のエネルギーによって正確に相殺される。[2]これらのモデルのどれが実際の宇宙を正確に説明しているのかは不明である。
ブラックホールエルゴスフィア
古典的に回転するブラックホールの場合、回転によって事象の地平線の外側にエルゴ球が形成され、その中で時空自体が回転し始めます。これはフレームドラッグと呼ばれる現象です。エルゴ球は事象の地平線の外側にあるため、粒子はそこから脱出することができます。エルゴ球内では、粒子のエネルギーは負になることがあります (キリングベクトルの相対論的回転により)。負のエネルギーを持つ粒子は事象の地平線を越えてブラックホールに入りますが、エネルギー保存の法則により、同量の正のエネルギーが脱出する必要があります。
ペンローズ過程とは、物体が二つに分裂し、片方の半分は負のエネルギーを得て落ち込み、もう片方の半分は同量の正のエネルギーを得て逃げ出す過程である。これがクエーサーから放出される強力な放射線が生成されるメカニズムとして提案されている。[3]
量子場効果
負のエネルギーと負のエネルギー密度は量子場理論と一致する。[4]
仮想粒子
量子論では、不確定性原理により、空間の真空は仮想粒子-反粒子対で満たされ、これらの粒子-反粒子対は自発的に出現し、通常は再び消滅するまでの短い時間だけ存在します。これらの仮想粒子の中には、負のエネルギーを持つものもあります。この動作は、以下に説明するように、いくつかの重要な現象で役割を果たします。
カシミール効果
カシミール効果では、非常に接近して配置された 2 つの平板が、その間に存在できる量子の波長を制限します。これにより、介在する真空で形成できる仮想粒子ペアの種類、したがって数と密度が制限され、負のエネルギー密度が生じる可能性があります。この制限はプレートの反対側には存在しないか、はるかに小さいため、プレートの外側の力はプレート間の力よりも大きくなります。これにより、プレートが互いに引っ張られているように見え、これは測定されています。より正確には、仮想粒子ペアによって生じる真空エネルギーがプレートを押し付けており、プレート間の真空エネルギーは、プレート間の単位体積あたりに存在できる仮想粒子の数がプレートの外側に存在できる仮想粒子の数よりも少ないため、この効果を打ち消すには小さすぎます。[5]
絞られた光
複数のレーザー光線を配置して、破壊的な量子干渉によって真空の揺らぎを抑制することも可能である。このような圧縮真空状態は負のエネルギーを伴う。光の繰り返し波形は、正と負のエネルギーの領域を交互に生み出す。[5]
ディラックの海
1930年にポール・ディラックが開発したディラックの海の理論によれば、真空の宇宙は負のエネルギーで満たされている。この理論は、ディラック方程式によって予測される負のエネルギーの量子状態の異常性を説明するために開発された。1年後、ワイルの研究の後、負のエネルギーの概念は放棄され、反物質の理論に置き換えられた。[6] : 9 翌年、1932年にカール・アンダーソンが陽電子を発見した。
量子重力現象
ブラックホールの周囲の強力な重力場は、重力と量子効果の両方に起因する現象を生み出します。これらの状況では、粒子のキリングベクトルが回転し、そのエネルギーが負になることがあります。[7]
ホーキング放射
仮想粒子は短期間存在できる。そのような粒子のペアがブラックホールの事象の地平線の近くに現れると、そのうちの1つが引き込まれる可能性がある。これにより、キリングベクトルが回転し、エネルギーが負になり、ペアの正味エネルギーがなくなる。これにより、それらは実体となり、正の粒子はホーキング放射として逃げ出し、負のエネルギーの粒子はブラックホールの正味エネルギーを減らす。したがって、ブラックホールはゆっくりと蒸発する可能性がある。[8] [9]
推測的な提案
ワームホール
負のエネルギーはワームホールの推測理論に登場し、ワームホールを開いたままにするために必要となる。ワームホールは、空間的にも時間的にも任意の距離にある2つの場所を直接接続し、原理的にはそれらの間のほぼ瞬時の移動を可能にする。しかし、ロジャー・ペンローズなどの物理学者は、そのような考えは非現実的であり、推測というよりはフィクションであると考えている。[10]
ワープドライブ
負のエネルギーを使った、宇宙船用の光より速い(FTL) ワープ ドライブの理論的原理が提案されています。アルクビエレ ドライブは、一般相対性理論のアインシュタイン場方程式の解に基づいており、仮想の負のエネルギーを使って時空の「泡」が構築されます。その後、泡は後ろの空間を拡張し、前の空間を縮小することで移動します。泡は任意の速度で移動でき、光速によって制限されません。泡の内容物は実際には局所的な時空を移動しないため、これは一般相対性理論と矛盾しません。[5]
負のエネルギー粒子
推測的な理論的研究では、負のエネルギーを持つ粒子は相対論的量子論と一致しており、負の質量や時間反転との相互関係を指摘する人もいる。 [11] [12] [13]
参照
参考文献
インラインノート
- ^ アラン・グース『インフレーション宇宙：宇宙の起源に関する新理論の探求』（1997 年）、ランダムハウス、ISBN 0-224-04448-6付録 A：重力エネルギーでは、重力エネルギーの負性を示しています。
- ^ ホーキング、スティーブン（2010年）。グランドデザイン。p.180。
- ^ ペンローズ 2005、836-9 ページ
- ^エヴェレット、 アレン、ローマン、トーマス（2012年）。タイムトラベルとワープドライブ。シカゴ大学出版局。p.167。ISBN 978-0-226-22498-5。
- ^ abc フォード・アンド・ローマン 2000
- ^ダック、イアン; スダルシャン、ECG ( 1998 年 3 月)。パウリとスピン統計定理。WORLD SCIENTIFIC。doi :10.1142/ 3457。ISBN 978-981-02-3114-9。
- ^ ペンローズ 2005、pp.833-4、836-7
- ^ スティーブン・ホーキング著『時間の簡潔な歴史』バンタム社、1988年、105-107ページ。ISBN 0-593-01518-5
- ^ ペンローズ 2005、836-7 ページ
- ^ ペンローズ 2005、pp.833-4。「... ある種の SF の「ワームホール」が宇宙間を移動することを示す (私の意見では誤った) 意図...」
- ^ N Debergh、JP Petit、G D'Agostini、「ユニタリ時間反転演算子によるディラック方程式の負のエネルギーと質量の証拠について」、Journal of Physics Communications、第2巻、第11号、2018年。
- ^ Hongwei Yu と Weixing Shu、「ディラック場における負のエネルギー密度を持つ量子状態と量子不等式」、Physics Letters B、第570巻、第1-2号、2003年9月18日、123-128ページ' [1]
- ^ フレデリック・アンリ＝クアニエ、「量子場理論と一般相対性理論における負のエネルギーと時間反転：重力のダークサイド」、HAL Open Science、2004年。⟨hal-00001476v1⟩
文献
- Lawrence H. Ford と Thomas A. Roman、「負のエネルギー、ワームホール、ワープドライブ」、Scientific American 2000 年 1 月、282 ページ、46 ～ 53 ページ。
- ロジャー・ペンローズ著『現実への道』ppbk、ヴィンテージ、2005年。第30章：量子状態の縮小における重力の役割。