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真空エネルギーは、宇宙全体に存在する空間の根底にある背景エネルギーです。[ 1 ]真空エネルギーは、量子真空に関連する零点エネルギーの特殊なケースです。[ 2 ]
真空エネルギーの影響は、自発放出、カシミール効果、ラムシフトなどのさまざまな現象で実験的に観測され、宇宙論的スケールでの宇宙の振る舞いに影響を与えると考えられています。宇宙定数の上限値を使用すると、自由空間の真空エネルギーは 10 −9ジュール(10 −2エルグ)、つまり約 5 GeV /立方メートルと推定されています。[ 3 ]しかし、量子電磁力学では、ローレンツ共変性の原理とプランク定数の大きさとの整合性から、 10 113ジュール/立方メートルというはるかに大きな値が示唆されます。この大きな不一致は、宇宙定数問題、または俗に「真空破局」として知られています。[ 4 ]
量子場理論は、電磁場などのすべての基本場は、空間のあらゆる点で量子化されなければならないと述べています。物理学における場は、空間が相互に連結された振動する球とバネで満たされているかのように想像でき、場の強さは、静止位置からの球の変位に相当します。この理論では、そのような場の「振動」、より正確にはその強さの変化が、問題となっている特定の場に対する適切な波動方程式に従って伝播することを要求します。量子場理論の第二の量子化は、そのような球とバネの組み合わせのそれぞれが量子化されること、つまり、空間のあらゆる点で場の強さが量子化されることを要求します。一般的に、空間のあらゆる点における場が単純調和振動子である場合、その量子化によって、各点に量子調和振動子が配置されます。場の励起は、素粒子物理学の素粒子に対応します。したがって、この理論によれば、真空でさえも非常に複雑な構造を持ち、量子場理論のすべての計算はこの真空モデルに基づいて行われなければなりません。
この理論では、真空は暗黙のうちに、光の場合のスピンや偏光、エネルギーなど、粒子と同じ性質を持つとみなされます。この理論によれば、これらの性質のほとんどは平均的に相殺され、真空は文字通りの意味で空っぽになります。ただし、重要な例外が1つあります。それは真空エネルギー、つまりエネルギーの真空期待値です。単純調和振動子の量子化には、そのような振動子の可能な限り低いエネルギー、つまり零点エネルギーが必要です。
空間内のあらゆる点におけるあらゆる振動子について総和を取ると、無限大の値が得られる。この無限大を取り除くために、エネルギーの差のみが物理的に測定可能であると主張することもできる。これは、古典力学において何世紀にもわたって位置エネルギーの概念が扱われてきたのと同様である。この主張は、繰り込み理論の根幹を成すものである。実際的な計算においては、この無限大はこのように扱われる。
真空エネルギーは、真空から生成・消滅する仮想粒子（真空ゆらぎとも呼ばれる）の観点からも考えることができます。これらの粒子は常に粒子と反粒子のペアとして真空から生成され、ほとんどの場合、すぐに互いに消滅します。しかし、これらの粒子と反粒子は消滅する前に他の粒子と相互作用することがあり、その過程はファインマン図を用いて表現できます。なお、この真空エネルギーの計算方法は、各点に量子調和振動子が存在することと数学的に等価であり、したがって、同じ繰り込み問題に悩まされることに注意してください。
真空エネルギーには多くの結果が伴います。1948年、オランダの物理学者ヘンドリック・B・G・カシミールとディルク・ポルダーは、近接した金属板間の空間の真空エネルギーの共鳴により、金属板間に微小な引力が存在することを予測しました。これは現在カシミール効果として知られており、その後、実験的に広く検証されています。したがって、真空エネルギーは、電子や磁場など、より身近な概念的対象が実在するのと同じ意味で「実在」すると考えられています。しかし、その後、カシミール効果に対する別の説明が提案されています。[ 7 ]
他の予測は検証が難しい。真空のゆらぎは常に粒子と反粒子のペアとして生成される。ブラックホールの事象の地平線付近でこれらの仮想粒子が生成されることは、物理学者スティーブン・ホーキングによって、ブラックホールの最終的な「蒸発」のメカニズムであると仮説が立てられている。[ 8 ]この前にペアの一方がブラックホールに引き込まれると、もう一方の粒子が「実在」となり、エネルギー/質量がブラックホールから宇宙空間に放射される。この損失は累積的であり、時間の経過とともにブラックホールが消滅する可能性がある。必要な時間はブラックホールの質量に依存する（方程式は、ブラックホールが小さいほど蒸発が速いことを示している）が、太陽質量の大きなブラックホールでは10⁶⁰年のオーダーになる可能性がある。[ 8 ]
真空エネルギーは物理宇宙論にも重要な意味を持つ。一般相対性理論はエネルギーが質量と等しいと予測しており、したがって真空エネルギーが「実際に存在する」ならば、重力を及ぼすはずである。本質的に、ゼロでない真空エネルギーは宇宙定数に寄与すると予想され、宇宙の膨張に影響を与える。[ 9 ]
真空エネルギーの場強度は、真空の性質と重力相互作用との関係を探る理論的研究で提案された概念です。この研究では、真空エネルギーの場強度を局所的な曲率に対するバルク（時空）抵抗の指標として使用する数学的枠組みを導き出しました。この枠組みは、真空エネルギーの場強度と背景の曲率との関連性を示しており、この概念は重力の従来の理解に疑問を投げかけ、重力定数Gは普遍定数ではなく、真空エネルギーの場強度に依存するパラメータである可能性を示唆しています。[ 10 ]
G の値の決定は、長年にわたりその正確な値を測定しようと数多くの実験が行われてきた広範な研究テーマである。これらの実験は、多くの場合高精度技術を用いて、G の正確な測定値を提供し、その正確な値に関する合意を確立することを目的としてきた。しかし、これらの実験の結果は大きな矛盾を示しており、G の値に関して決定的な結論に達することは困難である。この合意の欠如は科学者を困惑させ、代替の説明を求めている。[ 11 ]
真空エネルギーの場強度に関する理論的予測を検証するために、理論研究では月の位置を考慮した特定の実験条件が推奨されている。これらの条件は、Gの精密測定において一貫した結果を得ることを目的としている。このような実験の最終目標は、提案された理論的枠組みを反証するか、あるいは裏付けることである。真空エネルギーの場強度を探求することの意義は、重力とその相互作用に関する我々の理解を根本的に変革する可能性を秘めている点にある。
1934年、ジョルジュ・ルメートルは、珍しい完全流体の状態方程式を用いて、宇宙定数を真空エネルギーによるものと解釈した。1948年、カシミール効果は真空エネルギーの存在を検証する実験的方法を提供したが、1955年、エフゲニー・リフシッツはカシミール効果の別の起源を提示した。1957年、リーとヤンは対称性の破れとパリティ違反の概念を証明し、ノーベル賞を受賞した。1973年、エドワード・トライオンは、宇宙は正の質量エネルギーが負の重力ポテンシャルエネルギーによって釣り合っている大規模な量子力学的真空ゆらぎである可能性があるというゼロエネルギー宇宙仮説を提唱した。[ 12 ] 1980年代には、真空エネルギーを生成する場を、大統一理論の試みによって予測された特定の場と関連付け、宇宙の観測を用いていずれかのバージョンを確認する試みが数多く行われた。しかし、インフレーション理論で必要とされるような密度で真空エネルギーを生成する粒子（または場）の正確な性質は依然として謎のままである。[ 13 ]
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