¿Se puede sacar energía del vacío QFT?

Ha habido preguntas recientes sobre el vacío. En mi conocimiento simplificado, el vacío es como un nivel de energía del estado fundamental, y también que incluso podrían existir otros niveles de energía más bajos que el vacío en el que nos encontramos. El mar es una sopa de pares creados y aniquilados de partículas virtuales con energías virtuales y momentos

En un mar normal en la tierra, que también representa un estado fundamental del agua, la energía puede extraerse de ondas aleatorias mediante la construcción inteligente de válvulas que permiten el movimiento del agua en un solo sentido. ¿Es concebible que se pueda encontrar un dispositivo de función similar para el mar vacío, o está prohibido por las leyes de conservación?

Mi intuición me dice que podría ser posible si se tiene en cuenta GR, pero mi conocimiento de física no se extiende para respaldar esto.

Editar : una explicación de por qué estoy haciendo esta pregunta:

Permítanme ampliar el ejemplo del mar. La energía de las olas proviene de las mareas, es decir, de las fuerzas gravitatorias, o del viento (diferencias de temperatura). Si estos faltaran, los océanos serían como el vidrio que representa un estado fundamental único del pozo gravitacional de la tierra.

En una analogía, una onda gravitacional que atraviese el vacío estaría suministrando energía al mar del vacío.

He estado pensando en esta analogía desde que surgió la fusión fría y se niega a desaparecer, la más reciente también se discute aquí . Enfocadas desde los órdenes de magnitud de la física nuclear, las afirmaciones parecen absurdas. Sin embargo, hay personas que creen que tienen resultados de energía adicional sobre la energía de entrada, mucho más de lo que podrían proporcionar las reacciones químicas.

Esto me hizo pensar en la energía del vacío y la analogía con obtener energía del mar. Un cristal es un candidato principal para cualquier exploración de tales conceptos y en todos los resultados "exitosos" de fusión en frío se han utilizado cristales. Ahora bien, si el efecto dependiera del vacío y de lo distorsionado que estuviera por el paso de una onda gravitacional en el momento del experimento, o de la orientación exacta del cristal, o del tipo de impurezas en el cristal (centros F, etc.), uno esperaría obtener resultados aleatorios y no repetibles por otros experimentadores.

Por supuesto, esta sería la primera evidencia experimental de ondas gravitacionales :).

Editar 20/7/12

Tal vez debería aclarar que una respuesta negativa aceptable sería una basada en las leyes de conservación. Creo que los datos triunfan sobre la teoría, y lo siguiente en la línea son las leyes de conservación, porque son la destilación de una enorme cantidad de datos. Algunas personas parecen pensar que las definiciones teóricas pueden sustituir a la prueba en física, pero las teorías físicas cambian, los datos sólidos no, y esto es física, no matemáticas axiomáticas.

¿No sería eso muy similar al demonio de Maxwell?
Si el vacío es el estado fundamental, ¿qué significa tener un estado inferior? La analogía sería un valor menor que el mínimo. También en la interpretación de partículas, ¿a qué correspondería, número negativo de partículas?
@MBN echa un vistazo a esta pregunta: physics.stackexchange.com/q/4313
Lo miré pero no ayuda a mi confusión. ¿Qué es el estado de vacío? Pensé que es el estado asesinado por todos los operadores de aniquilación. ¿Qué significaría un menor que eso?
@MBN Piense en diferentes pozos potenciales (que representen tal vez núcleos). El estado de energía más bajo de cada pozo potencial puede ser diferente. Se llama el estado fundamental para ese potencial. Si es así, puede haber un túnel desde uno de mayor energía a otro de menor energía (aunque no es de eso de lo que se trata mi pregunta). La hipótesis es que el vacío en el que nos sentamos no es único y podría haber más, con una energía de estado fundamental más baja alrededor.
@MBN: en QFT, el vacío no es único y tampoco lo son los operadores de aniquilación. Existen representaciones unitariamente no equivalentes (correspondientes a diferentes valores esperados de vacío). Supongo que esto podría ser de lo que se trata la pregunta de @anna; pero también estoy un poco confundido por eso.
@Marek: Pensé que había un estado de vacío invariable único de Poincaré, pero supongo que estaba equivocado. Incluso con la no singularidad, ¿no es solo una cuestión de elección? ¿Qué significa que un estado de vacío sea más bajo que otro?
@Marek La pregunta no se trata de bombear energía de diferentes vacíos, aunque podría estar relacionado, si, por ejemplo, el vacío tuviera un tipo de existencia de "principio de incertidumbre". La pregunta se relaciona con la unión de QFT y la gravedad. Si una onda gravitacional cambiaría el nivel de energía del vacío a medida que se propaga en el tiempo para que la energía pueda ser capturada a su paso, como en la analogía de las olas del mar.
@MBN: no es único. Está relacionado, por ejemplo, con el frenado simétrico espontáneo: después de la ruptura, el sistema puede elegir entre muchos vacíos (todos los cuales son igualmente buenos pero difieren en algún valor esperado de vacío). Además, en el contexto de la gravedad cuántica hay un montón de problemas adicionales, ya que no hay coordenadas globales, etc... @anna: Ya veo, eso es realmente interesante, pero no tengo ni idea, me temo :)
si se tiene en cuenta GR, ¿cuál debería ser el vacío?
@Marek, está bien, confío en ti, no es único, pero eso no elimina mi confusión. Puedo entender qué es un mínimo no único, o que depende de una elección u otra, pero lo que me molesta es la parte inferior a la mínima. De todos modos, puede ser, cuando alguien dé una respuesta me quedará más claro.
También existe la posibilidad de que vivamos en un cuasi-vacío (mínimo local); véase, por ejemplo, ruptura de supersimetría metaestable. Pero luego, extraer energía del vacío podría hacer que el sistema se mueva al estado mínimo real, iniciando un nuevo período inflacionario que acaba con todo tal como lo conocemos. Los parques eólicos suenan como la opción más segura :)

Respuestas (7)

Bueno, seamos honestos aquí. No se suponía que esta pregunta fuera respondida desde el principio. En primer lugar, no sabemos cómo mezclar la mecánica cuántica y la gravedad . No hay una buena teoría consistente para eso. Otra cosa es que hoy en día la analogía del "mar de Dirac" no se considera muy buena. Es una imagen ingenua anterior a QFT . Finalmente se supone que debemos hablar de "olas" en este "mar"... Mientras que el "mar" en sí mismo es una analogía obsoleta... Y todo eso está en un contexto de teoría inexistente... Vamos... .

Ahora. En realidad, hay una forma formal de responder la pregunta, porque la pregunta es sobre el " vacío QFT ". Y el vacío QFT tiene una definición precisa. Lo que básicamente dice que es " algo de lo que no puedes tomar energía ". En realidad, partimos de esa definición para construir QFT. Entonces, la respuesta es: " no se puede sacar energía del vacío QFT por definición ".

Tal vez nos equivoquemos al partir de esta definición. Tal vez para la gravedad cuántica necesitemos otro punto de partida. Pero entonces no sería un QFT, sería una nueva teoría que tendrá a QFT como un caso límite. Y en el rango de validez de QFT se mantendrá esa respuesta "formal".

Vea mi comentario a @ChrisGerig. Hay teorías discutidas que tienen varios vacíos, QFT estaría trabajando en uno de esos, en este momento en el que nos encontramos. Creo que mi analogía simplista de las mareas debería dar una intuición.
"sería una nueva teoría que tendrá a QFT como un caso límite". Esto es lo que estoy explorando con esta pregunta. "Y en el rango de validez de QFT se mantendrá esa respuesta "formal". ¿Tiene un argumento sólido de que sabe cómo se aborda ese caso límite? Por ejemplo, la superconductividad, la mecánica cuántica en escalas de kilómetros, muestra que no es la dimensión lo que define absolutamente el límite entre QM y clásico. Existe el ingrediente agregado de la complejidad de la materia a granel y sus diferentes respuestas.
@Kostya, si amplía un poco su último párrafo, aceptaría su respuesta. No estoy de acuerdo con la respuesta elegida por el fiador de recompensas. No es la respuesta de un físico, sino de un matemático. Una teoría puede ser hermosa y completamente consistente en sus definiciones. Los resultados pueden estar de acuerdo con los datos hasta el límite disponible de medidas, pero eso no significa que las definiciones definan la naturaleza, como nos ha demostrado una y otra vez el progreso de la física. Es en los límites de la validez de una teoría que puede ser contrastada contra la naturaleza con resultados sorprendentes para la teoría.
@annav He intentado expandir mi último párrafo. Pero no puedo. Realmente no tengo nada más que decir sobre el tema: intente lo que intente, ya lo dije o no sé de lo que estoy hablando. Debo señalar que también soy un poco formal aquí: estoy respondiendo la pregunta . No estoy participando en ninguna discusión o "exploración" o lo que sea. Permítanme finalmente enfatizar que estoy en contra de esta distinción que hace entre "matemáticos" y "físicos". La intuición es genial. Pero si la racionalidad dice que la intuición está equivocada, ten el coraje de dejarla.
Bueno, por "matemáticos" me refiero a las personas que están satisfechas con una teoría axiomática/autocontenida y asumen que, debido a que se ajusta a un cierto rango de datos, dictará ab initio lo que sucederá en todos los rangos. Un físico es una persona que aprecia que (como ejemplo) el Modelo Estándar funciona muy bien (por cierto, felicitaciones por el Higgs) pero está abierto a más allá de las posibilidades del modelo estándar. Elegiré tu respuesta porque está lo suficientemente cerca. Solo discrepamos sobre si existe una ventana de posibilidad en el límite entre posibles nuevas teorías y QFT.

No, no puedes sacar energía del vacío, POR DEFINICIÓN.

Usar esta analogía con un "mar" no tiene sentido, porque la declaración "el vacío es un mar de partículas virtuales" también es una declaración ambigua que no debe tomarse literalmente.

La definición de vacío es energía en estado fundamental, por lo que si pudiera quitarle energía, entonces la energía del vacío se reduciría, contradiciendo el hecho de que ya está en el estado más bajo posible.

Esta es también la razón por la cual la absorción espontánea no ocurre con electrones/átomos (mientras que puede ocurrir emisión espontánea).

Quiero señalar por qué esta pregunta aún no está cerrada:
el hilo de pensamiento de Anna es "La respuesta no me satisface porque depende de definiciones que cambian a medida que cambian las teorías".
PERO, la pregunta en sí depende de las definiciones... no puedes preguntar sobre manzanas y luego decir 'bueno, tal vez pueden ser naranjas'. Si puede plantear una pregunta sobre 'energía' y 'vacío', entonces deben definirse.
¡Ahora voto para cerrar!

La energía del estado fundamental es la energía del sistema mecánico cuántico cuyos potenciales se conocen y se han resuelto. Es diferente para diferentes configuraciones iniciales. Estoy hablando de algo así como la Teoría del Todo, que en algunas teorías especulativas tiene varios estados básicos.
ps Por cierto, la naturaleza no sigue las definiciones, son los observadores quienes las hacen, y las nuevas definiciones pueden reemplazar o incorporar las antiguas.
Por favor, trate de pensar fuera de la caja. En mis estudios universitarios me han enseñado una teoría de campos, operadores de creación y aniquilación, para la física nuclear. El vacío era el estado fundamental. ¿Significa eso que no hay otros estados fundamentales además de este nuclear? El estado fundamental está definido por los potenciales aceptados. Para este modelo teórico del campo de la física nuclear, el potencial no cambiaría por el estado fundamental QED, excepto quizás en las estrellas de neutrones. Pero una teoría que distorsiona el espacio, si es lo suficientemente fuerte, debería agregar algo a los cálculos de potenciales específicos.
Lo que llamas "pensar fuera de la caja" suena completamente como metafísica. Estoy apelando a nada más que definiciones.
Bueno, normalmente la física del mañana se esconde en la metafísica de hoy, aunque no pienso en esto como metafísica. Más bien en la frontera de la física. Tu respuesta no me satisface, porque dice: estas son las definiciones, no me molestes con hechos. Nunca hubiéramos llegado a la mecánica cuántica si el cuestionamiento se hubiera detenido en las definiciones actuales.
La respuesta no me satisface porque depende de definiciones que cambian a medida que cambian las teorías. ¿Estás diciendo que las ondas gravitacionales no transportan energía por "definición" y es inútil tratar de descubrirlas?
Para que pueda comenzar a hablar con alguien, debe especificar qué es un vacío y qué es la energía, de lo contrario, su pregunta ni siquiera tiene sentido, ¡y no se pueden hacer declaraciones lógicas! Por lo tanto, una vez que traiga las palabras "energía" y "vacío", entonces a priori tienen una definición a la que debe adherirse su pregunta. Y esta pregunta tiene respuesta... el final.
Pero podría ser que uno pueda sacar energía del vacío localmente, es decir, podría haber un estado que tenga una densidad de energía más baja que el vacío en alguna región pero una energía total más alta que el vacío. Al menos esto no contradice la definición del vacío.

Peter Milonni ha dedicado mucho trabajo a esta área, recomendaré este libro: El vacío cuántico , básicamente brinda una descripción general de muchos sistemas físicos donde los efectos del campo de vacío son dominantes y cómo ciertas condiciones límite pueden afectarlos para producir inesperados efectos

la expansión de campos alrededor del vacío en modos armónicos con una población de partículas cuantificada de los modos solo es válida cuando la física se puede aproximar bastante en términos de los modos propios del vacío (que son las funciones de onda de campo regulares). Por supuesto, cuando hay condiciones de contorno especiales, esto no cambia demasiado ya que todavía tenemos modos propios (que corresponden a la geometría de contorno) pero todavía podemos hablar de poblaciones de partículas.

cuando el sistema (es decir, las condiciones de contorno) son dinámicos ( espejos en movimiento o paredes superconductoras que se mueven sobre la fase de superconductividad ), no creo que haya una respuesta autorizada sobre la validez de estas aproximaciones. En resumen, podría haber cosas interesantes que decir sobre la dinámica del vacío cuando exista un marco más amigable para realizar cálculos en regímenes altamente dinámicos.

Hice una pregunta algo relevante hace un tiempo sobre las paredes de Casimir que se derritieron y se congelaron con un campo magnético transversal oscilatorio .

Lo siento, no estoy abordando su pregunta más amplia, en cuanto a qué cosas relevantes cambian cuando se tiene en cuenta GR. Ojalá lo haga alguien más conocedor del tema.

-1: Esto es una tontería. No se puede sacar energía del vacío, y esto son leyes de conservación.
@Ron, no existe tal cosa como una ley de conservación de energía en GR.
no estás haciendo GR.
Los efectos GR deberían manifestarse localmente como condiciones límite fuera de equilibrio, razón por la cual mi respuesta trató de aclarar esos puntos.
Los efectos GR no se manifiestan localmente --- la falta de conservación en GR se puede atribuir a la entrada o salida de nuevo material en una región en escalas cosmológicas. La conservación de la energía en el vacío QFT es un hecho, y es imposible bombear energía a menos que el vacío sea inestable y luego destruyas todo el universo haciendo un túnel a un estado de menor energía.
@RonMaimon, lo que está diciendo supone la preocupante suposición de que un subsistema de energía negativa tiene una mayor probabilidad de decaer a estados aún más bajos que ser excitado a estados de mayor energía por los estados circundantes (como el vacío de energía cero). La muy poca evidencia experimental que tenemos con los sistemas transitorios de energía negativa muestra que decaen rápidamente hacia arriba, no hacia abajo.
Equivocado. ¿Qué evidencia experimental? ¿Fuerza de Casimiro? Esto es atractivo y busca hacer que la energía sea más negativa.
Lurscher Gracias, recuerda cuánto dependemos del oscilador armónico y ninguna ley dice que todos los potenciales son osciladores armónicos. La razón por la que es omnipresente es matemática: el potencial del oscilador armónico es el primer término en la expansión de cualquier potencial simétrico.

En teoría, el estado de vacío QFT es isotrópico e invariante para todos los observadores, como base de todas las álgebras de operadores de escalera. No tiene otras características que no sean las fluctuaciones. Por lo tanto, no puedes extraer más energía de él.

En la práctica, extraer energía del vacío no solo es posible, sino que ya se ha logrado en laboratorio utilizando amplificadores paramétricos ópticos (NOPA); se utilizan para exprimir la luz de entrada, pero cuando no hay nada en la entrada, la salida es un campo que tiene una desviación estándar promedio de la energía más baja que el vacío normal en el rango de frecuencias donde el amplificador está activo. Si asignamos energía cero al vacío normal, entonces este campo de "vacío comprimido" debe tener energía negativa.

Eso sí, dejemos perfectamente claro que este mecanismo no puede utilizarse para extraer energía útil , ya que la energía gastada bombeando los amplificadores supera con creces la que podrías extraer.

"En teoría, teoría y práctica son lo mismo. En la práctica, no lo son." - Albert Einstein

El concepto de exprimir realmente NO supera el "límite cuántico estándar", porque aunque exprime una variable, la otra variable canónica aumenta.
@ChrisGerig, "aprieta una variable, la otra variable canónica aumenta", eso es correcto. Pero no olvides que puedes elegir qué variables canónicas usas. En la mayoría de las configuraciones experimentales, las variables elegidas son amplitud frente a fase. En este caso, el vacío de amplitud comprimida tiene fluctuaciones de amplitud más pequeñas, lo que implica una energía promedio más pequeña
@ChrisGerig, sin embargo, existe una crítica válida, si aceptamos que debe mantenerse alguna forma de desigualdades cuánticas, entonces las regiones de energía negativa deben ser compensadas en exceso por regiones con energía positiva adicional, por lo que incluso la densidad de energía promediada en el tiempo no es negativa o la densidad de energía promediada en el espacio no es negativa, pero no ambas

Ha habido una propuesta para utilizar la fuerza de Casimir y los metamateriales para construir un extractor de energía al vacío. La fuerza de Casimir aplicada sobre placas paralelas hechas de material "normal" empuja las placas hacia afuera y hacia adentro para los metamateriales. No sé si la idea ya ha sido probada.

http://physicsworld.com/cws/article/news/2007/may/02/casimir-force-could-drive-tiny-trinquetes

El estado fundamental (=vacío) es un estado propio del sistema hamiltoniano. La función de onda es única, no existe incertidumbre energética. En este sentido no hay fluctuación de energía a cosechar. Existen "fluctuaciones" para no conmutar con las variables hamiltonianas, pero no se pueden usar para obtener algo de energía por la razón dada anteriormente.

En GR la energía no se conserva y esta no está conectada al vacío.

Editar: en máquinas de calor uno intenta aumentar la diferencia de temperatura T h o t − T C o yo d para aumentar la eficiencia de la máquina. El vacío es el cuerpo más frío jamás conocido. Por lo tanto, la eficiencia del "limpiador" de la aspiradora no puede exceder de cero.

Tu última frase es el quid de la cuestión. ¿Por qué la relatividad general no crearía fluctuaciones en el vacío, en un TOE?
Porque GR no es una teoría única de la gravedad. Hay teorías compatibles con un espacio-tiempo plano con las leyes de conservación de energía/momento.
Ciertamente no es una máquina de calor. @Vladimir, el sistema de comentarios no acepta tu nombre al principio del comentario!!

El estado de vacío tiene una propiedad llamada pasividad, lo que significa que cualquier operación local en el estado de vacío no extrae sino que inyecta energía al sistema. Esto implica que la energía no puede ser extraída del vacío únicamente por operaciones locales. Sin embargo, si adoptamos operaciones locales y comunicación clásica (LOCC), se puede extraer una parte de la energía de punto cero del estado de vacío. El esquema se llama teletransportación de energía cuántica. Hay más información disponible en wikipedia y un artículo de revisión de Hotta, quien fue el primero en proponer el concepto: http://www.tuhep.phys.tohoku.ac.jp/~hotta/extended-version-qet-review.pdf .

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