Претпоставимо да желите да испразните кутију. Заиста, заиста га испразните. Уклањате сав његов видљиви садржај, испумпавате све гасове и — применом неке научне фантастике технологије — евакуишете сав невидљиви материјал као што је тамна материја. Према квантној механици, шта је остало унутра?
Звучи као трик питање. А у квантној механици, знате да очекујете трик одговор. Не само да је кутија још увек пуна енергије, већ су сви ваши напори да је испразните једва умањили количину.
Овај неизбежни остатак је познат као енергија основног стања или енергија нулте тачке. Долази у два основна облика: један у кутији је повезан са пољима, као што је електромагнетно поље, а други је повезан са дискретним објектима, као што су атоми и молекули. Можете пригушити вибрације поља, али не можете елиминисати сваки траг његовог присуства. А атоми и молекули задржавају енергију чак и ако су охлађени произвољно близу апсолутне нуле. У оба случаја, основна физика је иста.
Енергија нулте тачке је карактеристична за било коју материјалну структуру или објекат који је бар делимично ограничен, као што је атом који држи електрична поља у молекулу. Ситуација је као са лоптом која се спустила на дно долине. Укупна енергија лопте састоји се од њене потенцијалне енергије (у вези са позицијом) плус њене кинетичке енергије (повезане са кретањем). Да бисте нулирали обе компоненте, морали бисте да дате прецизну вредност и позицији објекта и његовој брзини, нешто што је забрањено Хајзенберговим принципом неизвесности.
Шта вам постојање енергије нулте тачке говори на дубљем нивоу зависи на крају од тога коју интерпретацију квантне механике усвојите. Једина неспорна ствар коју можете да кажете је да, ако поставите гомилу честица у њихово најниже енергетско стање и измерите њихов положај или брзине, приметићете ширење вредности. Упркос томе што су исцрпљене од енергије, честице ће изгледати као да су се тресле. У неким тумачењима квантне механике, заиста јесу. Али код других, појава кретања је погрешан траг класичне физике и не постоји интуитиван начин да се замисли шта се дешава.
Енергију нулте тачке први је увео Макс Планк 1911. Након тога, „мислим да је Ајнштајн први пут озбиљно схватио“, рекао је Петер Милони са Универзитета у Рочестеру, теоретичар који проучава квантни вакуум. Ајнштајн и други позвали су се на енергију нулте тачке да објасне бројне феномене, укључујући суптилне вибрације молекула и кристалних решетки, чак и у њиховим најнижим енергетским стањима, и неуспех течног хелијума да се кондензује у чврсту материју при обичном притиску, чак и на температурама тако ниским да бисте очекивали да се атоми закључају на месту.
Алберт Ајнштајн (лево) са Максом Планком у Берлину у новембру 1931.
Линда Халл библиотека науке, инжењерства и технологије
Недавни пример су 2025. године објавили истраживачи из Европског центра за ласерске ласере са рендгенским зрацима у близини Хамбурга, између осталих институција. Охладили су јодопиридин, органски молекул који се састоји од 11 атома, скоро до апсолутне нуле и ударили га ласерским импулсом да разбију његове атомске везе. Тим је открио да су кретања ослобођених атома у корелацији, што указује да је, упркос свом охлађеном стању, молекул јодопиридина вибрирао. „То у почетку није био главни циљ експеримента“, рекла је Ребека Бол, експериментална физичарка у установи. „То је у суштини нешто што смо пронашли.“
Можда је најпознатији ефекат енергије нулте тачке у пољу предвидео Хендрик Казимир 1948. године, 1958. године приметио и дефинитивно уочен 1997. Две плоче од електрично ненаелектрисаног материјала — које је Казимир замислио као паралелне металне плоче, иако ће други облици и супстанце деловати једна на другу. Казимир је рекао да ће плоче деловати као нека врста гиљотине за електромагнетно поље, одсецајући дуготаласне осцилације на начин који би искривио енергију нулте тачке. Према најприхваћенијем објашњењу, у неком смислу, енергија изван плоча је већа од енергије између плоча, разлика која спаја плоче.
Квантни теоретичари поља обично описују поља као колекцију осцилатора, од којих сваки има своју енергију нулте тачке. У пољу постоји бесконачан број осцилатора, и стога поље треба да садржи бесконачну количину енергије нулте тачке. Када су физичари то схватили 1930-их и 40-их година, у почетку су сумњали у теорију, али су се убрзо помирили са бесконачностима. У физици – или већини физике, у сваком случају – разлике у енергији су оно што је заиста важно, а физичари пажљиво могу одузети једну бесконачност од друге да виде шта је остало.
Међутим, то не функционише за гравитацију. Још 1946. Волфганг Паули је схватио да бесконачна или барем огромна количина енергије нулте тачке треба да створи гравитационо поље довољно снажно да експлодира универзум. „Сви облици енергије гравитирају“, рекао је Шон Керол, физичар са Универзитета Џон Хопкинс. „То укључује енергију вакуума, тако да је не можете игнорисати.“ Зашто ова енергија остаје гравитационо пригушена још увек мистификује физичаре.
У квантној физици, енергија нулте тачке вакуума је више од сталног изазова, и више је од разлога зашто никада не можете истински испразнити кутију. Уместо да буде нешто где не би требало да постоји ништа, то није ништа прожето потенцијалом да буде било шта.
„Занимљива ствар у вези са вакуумом је да је свако поље, а самим тим и свака честица, на неки начин представљена“, рекао је Милони. Чак и ако није присутан ни један електрон, вакуум садржи „електронност“. Енергија нулте тачке вакуума је комбиновани ефекат сваког могућег облика материје, укључујући и оне које тек треба да откријемо.
