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重力エネルギー、または重力ポテンシャルエネルギーとは、質量のある物体が重力場の中にあるために持つ位置エネルギーのことです。古典力学では、2つ以上の質量は常に重力ポテンシャルを持ちます。エネルギー保存則により、この重力場エネルギーは常に負でなければならず、物体が無限に離れているときはゼロになります。2つの物体が離れていき、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直線の正の側からゼロに近づき、重力ポテンシャル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、重力によって運動が加速し、系の（正の）運動エネルギーが増加します。そして、エネルギーの総和を保存するために、物体の重力ポテンシャル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、最終的にビッグクランチで崩壊する一方、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 ]これらのモデルのうち、どれが実際の宇宙を正確に記述しているかは不明である。
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ギン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できます。エルゴ球内では、粒子のエネルギーが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る）。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、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。
ペンローズ過程では、物体が二つに分裂し、片方は負のエネルギーを得て落下し、もう片方は同量の正のエネルギーを得て脱出します。これは、クエーサーから放出される強烈な放射線が生成されるメカニズムとして提案されています。[ 3 ]
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 ]
量子論において、不確定性原理は、空間の真空が仮想粒子・反粒子対で満たされることを許容する。これらの仮想粒子対は自発的に出現し、通常は短時間しか存在せず、その後再び消滅する。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る。この性質は、以下に述べるように、いくつかの重要な現象において重要な役割を果たす。
カシミール効果では、非常に接近して配置された2枚の平板が、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、中間の真空中に形成できる仮想粒子対の種類、ひいてはその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。この制限は板の反対側には存在しないか、あるいははるかに小さいため、板の外側の力は板の間の力よりも大きくなります。このため、板同士が引っ張り合っているように見え、これは測定されています。より正確には、仮想粒子対によって生じる真空エネルギーが板を押し付けており、板の間の真空エネルギーは小さすぎてこの効果を打ち消すことができません。これは、板の間には板の外側よりも単位体積あたりに存在できる仮想粒子の数が少ないためです。[ 5 ]
複数のレーザー光線を配置することで、破壊的な量子干渉によって真空のゆらぎを抑制することが可能です。このようなスクイーズド真空状態は負のエネルギーを伴います。光の繰り返し波形は、正のエネルギーと負のエネルギーの領域を交互に生み出します。[ 5 ]
1930年にポール・ディラックによって提唱されたディラックの海の理論によれば、宇宙の真空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た負のエネルギー量子状態の異常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翌年の1932年には、カール・アンダーソンによって陽電子が発見された。
ブラックホールの周囲の強烈な重力場は、重力効果と量子効果の両方に起因する現象を引き起こします。このような状況では、粒子のキリングベクトルが回転して、そのエネルギーが負になることがあります。[ 7 ]
仮想粒子は短時間だけ存在することができる。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つが引き込まれることがある。これによりキリングベクトルが回転し、そのエネルギーが負になり、ペアの正味エネルギーがゼロになる。これにより粒子は実在し、正の粒子はホーキング放射として脱出し、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少させる。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 ]
負のエネルギーはワームホールの理論に登場し、ワームホールを開いたままにするために必要である。ワームホールは、空間的にも時間的にも任意に遠く離れた2つの場所を直接結び、原理的にはそれらの間をほぼ瞬時に移動することを可能にする。しかし、ロジャー・ペンローズのような物理学者は、そのような考えは非現実的であり、憶測というよりはフィクションに近いと考えている。[ 10 ]
負のエネルギーを用いた、宇宙船用の超光速（FTL）ワープドライブの理論的原理が提案されている。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の方程式の解に基づいており、仮想的な負のエネルギーを用いて時空の「泡」が構築される。泡は、その背後の空間を膨張させ、前方の空間を収縮させることによって移動する。泡は任意の速度で移動でき、光速に制約されない。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ない。[ 5 ]
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矛盾しないことが示唆されており、負の質量や時間反転との相互関係を指摘しているものもある。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]