¿Por qué los átomos tienen energía de punto cero?

Trataré de mantener esto lo más simple posible, pero primero un poco de trabajo preliminar:

Zero Point Energy es un concepto de mecánica cuántica, una rama de la ciencia que examina la naturaleza del mundo a una escala tan diminuta que está completamente más allá de los límites de nuestros sentidos. Como no podemos observarlo directamente, lo que sabemos sobre las reglas del mundo a ese nivel lo hemos aprendido indirectamente mediante una combinación de experimentos que muestran los efectos de esas reglas a un nivel que podemos detectar, y teorías y modelos matemáticos asociados para describir cuáles pueden ser las reglas. Las teorías y modelos son continuamente probados y refinados a través de experimentos adicionales. Lo que hemos encontrado hasta ahora es que las reglas de la naturaleza como podemos percibir ya no se aplican a los niveles atómico y subatómico. En ese nivel, todo está compuesto de cosas que llamamos partículas (por falta de una palabra mejor) que aparentemente están compuestas de ondas autocontenidas y autosustentables en varias combinaciones de fuerzas que hemos nombrado pero que no pueden percibir directamente ni describir en términos que no sean modelos matemáticos.

El resultado de todo lo anterior es que no se puede entender la mecánica cuántica en términos de la forma en que funciona el mundo a nivel humano. Ni siquiera lo intentes. Hasta que avance en sus estudios hasta el punto de que comprenda la teoría y las matemáticas asociadas (y yo mismo no), tendrá que tomar gran parte de lo que se dice con fe. Piense en ello como un juego de rol de fantasía donde se aplica un nuevo conjunto de reglas, la magia es posible y los resultados se determinan tirando dados.

Con toda esa preparación de mentalidad fuera del camino (me disculpo si fue innecesaria), procedamos a su pregunta. La energía de punto cero, también conocida como energía de estado fundamental, es la energía más baja posible que puede tener un sistema cuántico (como un átomo). El cero absoluto, por otro lado, es la temperatura más baja que se puede obtener. Estrictamente hablando, los dos no están relacionados. La temperatura es una medida de la energía térmica, que es básicamente una vibración aleatoria o colisiones de átomos y moléculas. Si bien el empuje de los átomos puede afectar el estado de energía cuántica de un átomo, particularmente sus electrones externos, el calor es realmente un fenómeno por encima del nivel cuántico. Cuando los átomos dejan de golpearse y se quedan quietos, por definición se ha logrado el Absoluto Cero. Por otro lado, cuando los electrones y otros componentes subatómicos del átomo han caído a su estado de energía más bajo, ha alcanzado su estado fundamental o Punto Cero. Claramente, existe una conexión entre el Cero Absoluto y el Punto Cero en que un átomo no puede caer a su Punto Cero mientras otros átomos continúen impartiendo energía golpeándolo. Sin embargo, una vez que se alcanza el Cero absoluto, la temperatura se vuelve irrelevante. Las diversas fuerzas que componen las cositas de onda / partícula que zumban, giran, orbitan, oscilan o lo que sea a nivel subatómico no incluyen la temperatura, por lo que sigue zumbando a la vez que une la menor energía necesaria.

PD: Como demostró la bomba atómica, esa energía es mucho más de lo que cabría esperar.

Los átomos no tienen energía cero. Si se refiere a los estados de los electrones en el átomo, uno establece el estado del átomo no emitido en energía 0. Ese sería el nivel de energía de los electrones de valencia y, según esa convención, los átomos en órbitas inferiores tendrían energía negativa. Es solo una energía de referencia y no una energía absoluta. Por ejemplo, ¿dónde establece la altura 0, en el nivel derecho? Pero podría haber establecido fácilmente el nivel cero en su sótano o incluso en el segundo piso y luego las otras alturas estarían en referencia a su nivel 0. Los fisicistas lo hicieron porque les facilitó la vida. Lo que es relevante cuando se habla de niveles de energía en los átomos es la diferencia de energía entre dos órbitas. Entonces, si un electrón saldría de un estado u órbita inferior a un estado superior, lo hace absorbiendo la luz que contiene esa cantidad de energía. Por otro lado, si un electrón salta de un estado superior a un estado inferior, lo hace emitiendo una partícula de luz, es decir, una emisión de rayos x con la cantidad exacta de energía que es la diferencia entre los dos estados. Curiosamente, un electrón nunca puede ocupar un estado que esté entre dos órbitas. Si un fotón (partícula de luz) no tiene suficiente energía para excitar un electrón al menos un nivel, no será absorbido.

Energía de punto cero – Wikipedia

El punto cero es la cantidad más baja de energía que puede tener un sistema. Esto no es cero absoluto, pero nadie está seguro de por qué. Las posibles explicaciones son la pérdida de energía debido a efectos cuánticos no especificados, o la naturaleza de campos como el campo Gluon – Wikipedia

Bueno, el cero absoluto no puede ocurrir considerando que el principio de incertidumbre de Heisenberg sería desafiado, así como la Exclusión de Pauli con respecto a la energía de transición del momento angular. Los átomos tienen longitudes de onda estacionarias de estado fundamental que, como el oscilador armónico, acotado y localizado, se extraen. Los campos magnéticos inducidos lo configuran para que la energía se sostenga en el estado fundamental, o más bien se limite en forma de un pozo esférico. El cero absoluto violará las leyes, ya que es solo una teoría que realmente no puede ocurrir, por lo que en su lugar lo llamamos energía de punto cero. Ahí es donde se postula la época de Planck.

Los átomos tienen masa. La masa es energía. No pierden su masa sin importar cuán cerca del cero absoluto, por lo que no pierden su energía de punto cero sin importar qué tan cerca del cero absoluto.