¿Qué es la "Energía" de un vacío en el contexto de la teoría cuántica?

No soy físico ni cosmólogo, así que espero estar haciendo la pregunta correcta con las palabras correctas aquí.

Mi pregunta se refiere a la palabra "energía" en lo que respecta a los estados de vacío cuántico y a conceptos como la teoría de "algo de la nada" de Lawrence Krause.

Cuando escucho la palabra "nada" visualizo un "vacío" que es un conjunto vacío. Pero Krause, Eva Silverstein y J. Richard Gott (video de YouTube de 2 horas de debate sobre "nada" presentado por Neil deGrasse Tyson - último segmento de URL = ver? v = sNh-pY3hJnY) parecen estar diciendo, si entiendo correctamente, que este vacío tiene un estado de energía distinto de cero, y las fluctuaciones cuánticas crean "algo" de la nada debido a esto.

Debo decir que esto me suena un poco a gestos de manos y palabras de comadreja, pero tal vez mi ignorancia esté cometiendo una injusticia.

Pero si esto es lo que está sucediendo, ¿es esta "nada" realmente un vacío? La energía es algo, y eso haría que la "nada" contuviera algo. Y no veo cómo esto podría ser así.

La pregunta: ¿Qué, exactamente, ES "energía". En uso en este contexto suena mucho como phlebotinum.

Echa un vistazo a Oscilador armónico cuántico de Wikipedia . Verá que, debido a que la posición y el operador de cantidad de movimiento no se conmutan, la energía inferior no es cero. En la teoría cuántica de campos, el comportamiento de los campos bosónicos relativistas es exactamente el mismo (un campo bosónico relativista es solo una suma de osciladores armónicos cuánticos independientes etiquetados por impulso y, finalmente, espín)
Desde un punto de vista matemático, el vacío en las teorías cuánticas de campos no es el conjunto vacío. Es un vector preciso del espacio (Hilbert) de cada teoría particular. Por tanto, tiene propiedades diferentes a las del conjunto vacío.
Véase también efecto Casimir para una realización de fuerzas físicas que surgen del vacío.
El problema con la 'nada verdadera' es que no es físico: tome un volumen de espacio y elimine 'todo', y no terminará con 'nada', sino con el vacío, que, filosóficamente hablando, es un 'algo'. '. Krauss va un paso más allá del vacío y supone que el espacio-tiempo, así como las leyes de la física tal como las conocemos, emergen dinámicamente (por ejemplo, a través de la ruptura de la simetría) del verdadero estado fundamental de una teoría de la gravedad cuántica. Este estado fundamental es lo que él llama 'nada'.

Respuestas (2)

Creo que el obstáculo conceptual clave es que el estado de vacío no es nada .

La teoría cuántica de campos describe la materia como excitaciones en campos cuánticos. Estos campos cuánticos son cosas muy extrañas, y no conozco ninguna manera fácil de explicarle a alguien que no sea físico qué es un campo cuántico. La clave es que los campos cuánticos llenan todo el espacio-tiempo. Entonces, el vacío no es nada , sino que es el estado de energía más bajo de los campos cuánticos. Este estado de energía más bajo no es energía cero, es solo el estado del cual es imposible extraer energía, eso es lo que lo hace más bajo .

Visto de esta manera, las cosas (con suerte) parecen menos misteriosas. Las fluctuaciones no crean algo de la nada. La nada en realidad contiene campos cuánticos y las fluctuaciones son fluctuaciones en estos campos cuánticos.

¿Conoces alguna manera fácil de explicarle a un físico qué es un campo cuántico?
@tparker no :-)

La respuesta de John Rennie ya es buena, pero quiero agregar un solo punto: estas fluctuaciones son muy, muy breves. En mecánica cuántica tienes el principio de incertidumbre de Heisenberg, que a menudo se expresa como

Δ X ⋅ Δ pag ≤ ℏ 2
y lo que significa que para cualquier objeto cuántico (piense en un electrón o un positrón creado en una fluctuación de vacío) nunca sabrá su lugar y su momento (que es masa por velocidad) al mismo tiempo. Puede que esto no sea tan intuitivo, pero con algunas matemáticas básicas, es posible demostrar que puede enunciar este principio de la misma manera que
Δ mi ⋅ Δ t ≤ ℏ 2
entonces la energía por el tiempo (¡de existencia!) de esta partícula es más pequeña como un número muy, muy pequeño. Y como la energía de la partícula es bastante alta (al menos tiene que tener su masa, que es solo otra forma de energía, recordad la frase de Einstein mi = metro C 2 ) su tiempo de vida es extremadamente corto.

Y, de hecho, si observa el vacío durante más tiempo y toma la energía promedio que ha visto, en realidad es cero (porque, como dijo John, se define como que no es posible extraer energía), pero del promedio no lo hace. contener cualquier información sobre el estado en un solo punto en el tiempo.

Esta información es útil, pero no estoy seguro de que responda directamente a mi pregunta. Probablemente sea mi culpa por estar "por todas partes" con menciones del contexto al que me refiero. Mencionas la "energía promedio" del vacío; Entonces, ¿qué es esta energía? ¿De qué está hecho o consiste?
@OldGuyinStanton Energy es una cantidad abstracta. Por definición física, es la capacidad de un sistema para hacer "trabajo". En mecánica clásica esto es obvio y bastante fácil de comprender. Y estas definiciones se ampliaron y generalizaron con el desarrollo de la física moderna... Pero la energía no está "hecha de", no "existe", es solo un número para describir el sistema/objeto/universo dentro del marco axiomático dado. de fisica...
Las desigualdades de Heisenberg están invertidas arriba. Debiera ser ≥ , y no ≤ .
¿Qué es la "Energía" de un vacío en el contexto de la teoría cuántica?
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