Prema onome koga pitate, energija nulte točke može sve… ili ništa. Ali što je to? Nešto što prožima cijeli prostor, iako na mikroskopskoj razini? Kinetička energija koju molekula zadržava, čak i kada se ohladi na apsolutnu nulu? I bi li nam doista  mogla ponuditi izvor neograničene energije? 

Uron u kvantnu mehaniku

Da bismo počeli razumjeti koncept energije nulte točke (ZPE) ili energije vakuuma, moramo se poslužiti s malo kvantne mehanike.

Prije svega, čini se da naš Svemir ima svoje vlastite ekvivalente u obliku minimalnih gradivnih blokova. Vrsta materije koju ne možete dalje smanjiti.

Stvari koje više nisu djeljive .

Nedjeljivo, djeljivo… Više nije djeljivo. To je upravo ono što su stari Grci mislili pod ‘ atomos’.

Iako se, neko vrijeme kasnije, ispostavilo da su znanstvenici otkrili da se atom može podijeliti na protone , neutrone i elektrone .

Kasnije su otkrili da se ti protoni i neutroni zapravo mogu dalje podijeliti u drugu kategoriju čestica, kvarkove.

U svakom slučaju, trenutno fizičari vjeruju da su to temeljne čestice koje čine Svemir. I to je to…

Vjeruju da elektroni i kvarkovi nisu djeljivi.

Iako mnoge teorije razmatraju još manje jedinice, pa čak i fundamentalnije čestice ispod njih.

Nesigurnosti u mjerenjima

U kvantnoj mehanici, najosnovnija i nedjeljiva stvar nije jednostavno jedna stvar.

Umjesto toga, uvijek dolazi kao par komplementarnih atributa.

Ako ste čuli za Heisenbergov princip neodređenosti već znate da možemo izmjeriti moment (ili brzinu) čestice ili njezin položaj, istovremeno, s određenom sigurnošću: Na primjer… Recimo da želite izmjeriti brzinu i lokaciju objekta. To možete učiniti samo onoliko dobro koliko vam vaši instrumenti dopuštaju. Pod pretpostavkom da su vaša štoperica i ravnalo točni samo do sekunde, odnosno do milimetra, znate da s tim uređajima možete postići samo tu točnost u mjerenjima.

Ako želite smanjiti nesigurnost vrijednosti i dobiti bolje, preciznije mjerenje, morat ćete kupiti skuplji i precizniji aparat.

Međutim, s ograničenim budžetom, kupnja preciznijeg ravnala znači da ćete se morati nositi s jeftinijom štopericom ili obrnuto.

Nesigurnost je točnost mjerenja.

To je granica našeg znanja – granica preko koje znanost ne može ići.

Konjugirani parovi

Nesigurnost se ne temelji na veličini ili energiji čestice. Umjesto toga, temelji se na umnošku dvaju atributa koji su konjugirani parovi.

Poput momenta i pozicije.

Kad je riječ o principu neodređenosti, kao da nam je Svemir pružio minimalnu neodređenost za mjerenje ova dva sparena atributa (brzine i položaja).

I to predstavlja vrstu temeljne vrijednosti.

Planckova konstanta, temeljna vrijednost

Ta minimalna vrijednost je Planckova konstanta, poznata i kao h.

Posljedično, možemo znati samo određenu točnost energije čestice, žrtvujući pritom koliko točno možemo to izmjeriti.

Kao rezultat ovog zbunjujućeg stanja stvari, nikada ne možemo sa sigurnošću reći da je mjerenje položaja čestice nula.

Čak i ako ništa nije tamo, uvijek postoji ta neizvjesna vrijednost energije u bilo kojem trenutku. Pomalo kao što autocesta nema stalnih stanovnika, a ipak njome uvijek cirkulira puno prometa.

Klasična fizika i apsolutna nula

Klasična fizika predviđa prisutnost energije nulte točke (Nulta točka), a ovdje ćemo se pozabaviti pojmom apsolutne nule.

Kinetička teorija plinova je jednostavan klasični model termodinamičkog ponašanja plinova. Prema njoj, plin se sastoji od brojnih čestica, premalenih da bi se vidjele čak i mikroskopom, koje se stalno nasumično kreću. Njihovi sudari jednih s drugima i sa stijenkama spremnika koriste se za objašnjenje fizikalnih svojstava plina. Na primjer, odnos između njegove temperature, tlaka i volumena.

Toplina i temperatura označavaju slučajno kinetičko gibanje čestica unutar sustava.

Teoretski, možemo ohladiti stvari tako što ćemo iz njih iscijediti svo to nasumično kretanje.

Ako sve ispraznite, vaš će sustav biti na apsolutnoj nuli, što je -273 °Celzija ili -460 Fahrenheita, ili jednostavno 0 K koristeći apsolutnu Kelvinovu ljestvicu.

Znanstveni eksperimenti uključivali su hlađenje helija na temperature manje od milijarditog dijela Kelvina, korištenjem laserskog hlađenja, iako postizanje granice Apsolutne nule još nije postignuto.

Ipak, upravo je ta preostala energija poznata kao energija nulte točke i izravna je posljedica principa neodređenosti.

Je li energija nulte točke kinetička energija koju molekula nekako zadržava čak i na temperaturi od 0 K?

Apsolutna nula ima čudna teorijska svojstva, poput onog da nema entropiju.

Naravno, ta ideja kao da je u suprotnosti s Heisenbergovim principom neodređenosti, jer ako vaša čestica nema energiju, nema moment, onda bi slijedilo da ne možemo reći gdje se nalazi. Ne bi imala položaj ili obrnuto.

Ključ principa neodređenosti je prihvaćanje njegove čiste nejasnoće.

Prema kvantnoj mehanici, čestica se doista nalazila u svim tim mogućim maglovitim položajima sve dok je sam čin njezina promatranja ili mjerenja ne uruši u određenije stanje.
Opet, to ne vrijedi samo za položaj i moment, već za bilo koji od tih konjugiranih parova o kojima se raspravlja.

To je čudna stvar u vezi s kvantnim svijetom.

Zaista ŠOKANTNA stvar u vezi kvantne mehanike!

Energija nulte točke

U tom kontekstu, moramo se naviknuti na ideju da je nesigurnost stvarna – temeljni univerzalni minimum, a ne nešto što proizlazi prvenstveno iz naših vlastitih opažačkih ograničenja.

Energija nulte točke dobila je ime po apsolutnoj nuli – najnižoj temperaturnoj točki na kojoj entalpija i entropija ohlađenog idealnog plina postižu svoje minimalne vrijednosti – i ideji da čak i savršeno smrznuti atomi zadržavaju neko kinetičko gibanje, a time i energiju.

Priroda mrzi prazninu.

Praznina užasa

Ovo bismo mogli primijeniti na sve vrste energetskih fenomena s fluktuirajućim poljima i nazvati to nultom točkom, odakle dolazi energija vakuuma.

Stvari nisu onakve kakve se čine.

Polje nulte točke energije (Nulta točka, ZPF) možemo zamisliti kao beskrajno veliko more u kojem smo mi i sva materija oko nas uronjeni. Fizičari to nazivaju “fizičkim vakuumom”. Pa ipak, to je sve samo ne praznina.

Energija nulte točke predstavlja dijeljenje nesigurnosti u položaju i u momentu. Energija povezana s nesigurnošću u momentu daje energiju nulte točke.

Fizički vakuum svemira

Prostor je bogat aktivnostima i pun energije.

Čak i u najpraznijim kutcima svemira, daleko, daleko od bilo kojeg planeta ili čak bilo koje galaksije, sa samo jednim atomom vodika po kubnom metru, još uvijek postoje milijarde fotona i neutrina koji prolaze kroz njega u bilo kojem trenutku. (Sjećate se analogije s raskrižjem na autocesti?) Drugim riječima, to nije pravi vakuum.

Fluktuacije vakuuma predviđa kvantna mehanika – grana fizike koju su započeli Bohr, Einstein i Heisenberg. Prostor neprestano vibrira i „fluktuira“.

Prostor je kvantiziran i virtualnih ili privremenih čestica ima u izobilju.

Virtualne čestice i kvantne fluktuacije

Ove virtualne čestice, koje se stalno pojavljuju i nestaju, važne su jer su od njih uglavnom sačinjeni ti i ja, i sve ostalo oko nas.

Iako je nemoguće sa sigurnošću utvrditi kako prostor-vrijeme izgleda na vrlo malim skalama, ne postoji poseban razlog zašto bi njegova raspodjela trebala biti potpuno glatka.

U kvantnoj teoriji gravitacije, prostor-vrijeme bi se sastojalo od mnogih malih, stalno promjenjivih područja u kojima prostor i vrijeme nisu konačni, već fluktuiraju na način sličan pjeni – kvantna pjena.

I opet, tu leži suština stvari.

Kako se ispostavilo, „vakuum“… nije prazan! A ako nije lišen čestica, slijedi da tamo mora postojati neiskorištena energija.

I teorija i eksperiment se slažu u tome.

Virtualne čestice vjerojatnije će postati stvarne blizu granice nabijenih čestica ili čak blizu jezgri atoma. Te čestice često imaju fizička svojstva koja inače ne bi postojala u stabilnom obliku. Pojavljuju se u suprotnim parovima i zajedno se anihiliraju.

Znanstvenici još ne razumiju zašto.

Ali moglo bi se reći da energija nulte točke tvori atmosferu čestice – virtualni oblak čestica.

Ispada da stvari možda nisu nepromjenjive…

Stvari koje smatramo konstantnima i nepromjenjivima na tom višem atomskom sloju stvarnosti, ispod kemijskog sloja, ali iznad područja subatomskih čestica, možda nisu toliko konstantne kao što smo zamišljali.

Uobičajene karakteristike čestica, poput pozitivne mase, više nisu zajamčene. Dakle, mogli biste imati par čestica koje su imale pozitivnu i negativnu masu, umjesto pozitivnog i negativnog naboja.

Takve čestice se mijenjaju u postojanju i nestanku.

Postojanje u jednom trenutku. Uništavanje u sljedećem.

Svugdje u Svemiru.  Sve vrijeme.

Brzo mreškanje na hipotetičkom moru

Zamislite to kao stvaranje malih valova na tom moru virtualnih čestica, s danim visinama i frekvencijama.

Dakle, nemamo potpuni nedostatak vode, samo lokalni negativ u usporedbi s normom.

Naša stvarnost, stvarnost koju doživljavamo, od atomske razine naviše, pluta na vrhu tog mora – Diracovog mora.

Diracovo more je teorijski model elektronskog vakuuma zamišljenog kao beskonačno more elektrona s negativnom energijom ili pozitrona.

Možda se na površini njiše gore-dolje samo nekoliko centimetara tu i tamo. Ali ocean svemira ispod njega još uvijek je dubok kilometrima, a ne vakuum lišen mase i energije.

Osim toga, naše razumijevanje ulazi u neke mutne vode…

I uostalom, kakve to sve veze ima s crnim rupama ?

Isparavanje crnih rupa

Sada je pitanje:

Zašto crne rupe gube masu tijekom vremena… budući da ništa, čak ni svjetlost, ne može izbjeći privlačenje njihove gravitacije? Bitan dio razumijevanja kako crna rupa gubi masu jest pogled na njezin horizont događaja – teoretsko razgraničenje između događaja i njihovih uzročno-posljedičnih odnosa.

U osnovi, crne rupe mogu isparavati gubeći virtualne čestice na svom horizontu događaja. To se čini kontraintuitivnim jer znamo da kada se elektromagnetsko zračenje nađe unutar tog horizonta događaja, ne može pobjeći.

Zapravo, što je crna rupa veća i što je horizont događaja veći, to je ovaj proces sporiji .

Temperatura zračenja obrnuto je proporcionalna masi crne rupe, pa se predviđa da su mikro crne rupe veći emiteri zračenja od većih i da se brže raspršuju u odnosu na svoju masu.

Razlog tome je što crne rupe nisu izvor tih virtualnih čestica.

Kako se ispostavilo, NAŠE vlastito uobičajeno staro, uobičajeno prostor-vrijeme jest.

Formacije parova na horizontu događaja

Nigdje se ne formiraju veći parovi virtualnih čestica nego na površini horizonta događaja.

Ali sitne crne rupe s malim horizontima događaja imaju vrlo oštre gradijente gravitacije u usporedbi s većim.

Ako je jedna od čestica u paru čak i 1 nanometar (nm, 10-9 m ili 1 milijarditi dio metra) bliže crnoj rupi od njezine blizanke, na nju će djelovati znatno veća gravitacijska sila.

To znači sljedeće.

Negativna masa i gravitacija

Ako iskoče dvije čestice, po jedna sa svake strane horizonta događaja, jedna od čestica može pasti natrag unutar crne rupe. Ta će čestica imati negativnu masu.

Čestica negativne mase je povučena prema dolje, dok njezin blizanac pozitivne mase uspijeva izbjeći gravitaciju.

Te čestice se stoga ne mogu rekombinirati i anihilirati.

Istovremeno, crna rupa gubi malo mase.

Međutim, većinu vremena čestice su dovoljno blizu jedna drugoj da se anihiliraju, čak i ako jedna od njih doživi jaču gravitacijsku silu od svoje blizanke. Ali što je veća plimna razlika u gravitaciji, to je vjerojatnije da će se to dogoditi.

Kada se jedna od tih virtualnih čestica ne anihilira s drugom, ona ostaje i postaje stvarna.

Evo jednog od hipotetskih načina koje bismo mogli koristiti za izdvajanje energije iz svemirskog vakuuma : puštajući je da se iščupa iz crnih rupa.

Hawkingovo zračenje

U svakom slučaju, proces isparavanja mase iz crne rupe naziva se Hawkingovo zračenje.

Kao što je fizičar Stephen Hawking teoretizirao 1974. godine, crne rupe zrače mali broj čestica – uglavnom fotona.

Ovaj proces može dovesti do toga da se crna rupa s vremenom smanji, te na kraju potpuno nestane.

Međutim, to je zapanjujuće spor proces …

Naše Sunce ima masu M _☉ = 2,0 × 10³⁻⁹ ^kg .

Dakle, crnoj rupi mase 1 Sunca trebalo bi oko 10⁶⁷ godina da ispari. Puno dulje od 14 milijardi godina ( 1,4 × ^{10⁶⁷ godina) koliko} postoji naš Svemir!

Ali za drugu crnu rupu od 10 ^{^11} kg, vrijeme isparavanja je samo 2,6 × 10^ ⁹ godina.

Zapravo, svaka primordijalna crna rupa dovoljno male mase isparit će do mase blizu Planckove unutar životnog vijeka Svemira.

Mikro crne rupe

Mikro crne rupe ili primordijalne crne rupe nisu barionske , gotovo bez sudara i stabilne su.

Imaju nerelativističke brzine i formirane su vrlo rano nakon Velikog praska.

Male crne rupe emitiraju više zračenja i brže umiru.

Njihov polumjer se linearno mijenja s njihovom masom.

To je dano Schwarzschildovim radijusom, koji efektivno odgovara radijusu horizonta događaja crne rupe:

Na primjer, crna rupa veličine protona mogla bi proizvesti izvanredan gigavat snage. A to je samo 109 ^vata .

Tisuću milijuna vata! Takva mikro crna rupa snage gigavata i dalje bi težila nevjerojatnih 560 megatona i imala bi životni vijek od 480 milijardi godina. Trideset pet puta starije od našeg Svemira kakvog ga danas poznajemo.

Ispada da veličina zaista jeste bitna…

Koncept hipotetskih sićušnih crnih rupa razvio je Hawking koji je pretpostavio da bi minimalna masa potrebna za formiranje crne rupe bila oko 10⁻⁶ ^kg – vrijednost istog reda veličine kao Planckova masa.

Ovdje se vraćamo na ideju sitnih fluktuacija u našem Svemiru.

Na ovoj skali se ne očekuje da će se primijeniti Planckova skala, predviđanja Standardnog modela , kvantne teorije polja i opće relativnosti .

Umjesto toga, očekuje se da će dominirati učinci kvantne gravitacije.

Između vraga i Diracovog mora

Međutim, pod eksperimentalno ostvarivim uvjetima za gravitacijske sustave, učinak je premalen da bi se izravno promatrao.

Doista se očekuje da će Hawkingovo zračenje biti toliko slabo da će biti mnogo redova veličine ispod praga detekcije naših najboljih teleskopa.

Osim toga, tu se Einsteinova teorija relativnosti sudara s kvantnom mehanikom, a obje teorije se ne slažu. Astrofizičari nisu sigurni jesu li crne rupe u svojoj jezgri doista točkaste singularnosti .

Ne znamo koliko je duboko to more čestica,

Ne znamo koliko je materija zapravo gusta.

U nekom trenutku, količina energije koja zrači iz crne rupe u bilo kojem trenutku mogla bi toliko porasti da dosegne vrhunac, jer nije bilo moguće dobiti više virtualnih parova, koji bi iskakali iz tog sve manjeg volumena, da bi se održali.

Učinkovito, virtualni bunar čestica presušuje ili voda može izaći samo određenom brzinom. Ipak, ne znamo koliko je bunar dubok jer se opća relativnost i kvantna fizika ne slažu.

Casemirov efekt

Dakle, kako ubaciti kotač s lopaticama u ovaj hipotetski ocean virtualnih čestica i iskoristiti njegovu energiju?

Kako možemo kanalizirati energiju nulte točke za proizvodnju električne energije?

Otkriće Casimirovog efekta bio je proboj za mehaničku teoriju sila. Od tada je mnogo puta potvrđen u laboratoriju.

ako se drugi fenomeni mogu pripisati djelovanju kvantnih fluktuacija, nijedan od njih ne nudi tako uvjerljive dokaze za postojanje ZPE (Energije nulte točke).

U ovom dobu klimatskih promjena, često se pitamo gdje pronaći čistu i obilnu zalihu istinski održive energije.

Odgovor bi mogao ležati u velikoj praznini oko nas.