¿Qué es la energía de punto cero?

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En física, la energía del punto cero es la energía más baja posible que puede poseer un sistema físico mecánico cuántico; Es la energía del estado fundamental del sistema. Todos los sistemas de mecánica cuántica tienen una energía de punto cero. El término surge comúnmente en referencia al estado fundamental del oscilador armónico cuántico. En la teoría del campo cuántico, es sinónimo de la energía del vacío, una cantidad de energía asociada con el vacío del espacio vacío. En cosmología, la energía del vacío se toma como el origen de la constante cosmológica. Experimentalmente, la energía de punto cero del vacío conduce directamente al efecto Casimir, y es directamente observable en dispositivos a nanoescala.

Debido a que la energía de punto cero es la energía más baja posible que puede tener un sistema, esta energía no se puede eliminar del sistema.

A pesar de la definición, el concepto de energía de punto cero y el indicio de una posibilidad de extraer “energía libre” del vacío, ha llamado la atención de los inventores aficionados. Se han propuesto numerosos movimientos perpetuos y otros dispositivos pseudocientíficos, a menudo llamados dispositivos de energía libre, que explotan la idea. Como resultado de esta actividad, y su intrigante explicación teórica, ha cobrado vida propia en la cultura popular, apareciendo en libros de ciencia ficción, juegos y películas.
En física clásica, la energía de un sistema es relativa y se define solo en relación con un estado dado (a menudo llamado estado de referencia). Típicamente, uno podría asociar un sistema inmóvil con energía cero, aunque hacerlo es puramente arbitrario.

En física cuántica, es natural asociar la energía con el valor esperado de un determinado operador, el hamiltoniano del sistema. Para casi todos los sistemas de mecánica cuántica, el valor de expectativa más bajo posible que puede obtener este operador no es cero; Este valor más bajo posible se llama energía de punto cero.

El origen de una energía mínima que no es cero puede entenderse intuitivamente en términos del principio de incertidumbre de Heisenberg. Este principio establece que la posición y el momento de una partícula mecánica cuántica no pueden conocerse arbitrariamente con precisión. Si la partícula se limita a un pozo potencial, entonces su posición se conoce al menos en parte: debe estar dentro del pozo. Por lo tanto, se puede deducir que dentro del pozo, la partícula no puede tener un momento cero, ya que de lo contrario se violaría el principio de incertidumbre. Debido a que la energía cinética de una partícula en movimiento es proporcional al cuadrado de su velocidad, tampoco puede ser cero. Sin embargo, este ejemplo no es aplicable a una partícula libre, cuya energía cinética puede ser cero.

En cosmología, la energía de punto cero ofrece una posibilidad intrigante para explicar los valores positivos especulativos de la constante cosmológica propuesta. En resumen, si la energía está “realmente allí”, entonces debería ejercer una fuerza gravitacional. En general, la relatividad, masa y energía son equivalentes; o produce un campo gravitacional.

Una dificultad obvia con esta asociación es que la energía de punto cero del vacío es absurdamente grande. Ingenuamente, es infinito, pero uno debe argumentar que la nueva física se hace cargo en la escala de Planck, por lo que su crecimiento se corta en ese punto. Aun así, lo que queda es tan grande que doblaría visiblemente el espacio y, por lo tanto, parece haber una contradicción. No hay una salida fácil, y la conciliación de la energía aparentemente enorme del punto cero del espacio con la constante cosmológica cero o pequeña observada se ha convertido en uno de los problemas importantes de la física teórica, y se ha convertido en un criterio para juzgar a un candidato. Todo.

Un observador que acelere uniformemente observará la energía de punto cero del campo electromagnético como un baño térmico de fotones reales, en un efecto conocido como el efecto Unruh.

En muchos libros de texto de primaria, se menciona que todos los movimientos atómicos cesan a 0 K. Esta afirmación es errónea, ya que involucra solo el concepto macroscópico de temperatura y el concepto microscópico de movimiento atómico. Se debe tener en cuenta la naturaleza cuántica de las partículas atómicas. Cuando las estadísticas clásicas se modifican con la mecánica cuántica, se descubre que las partículas en el cero absoluto tienen una cantidad finita de energía de vibración residual, que se conoce como energía de punto cero.