शून्य-बिंदु ऊर्जा

शून्य-बिंदु ऊर्जा (अंग्रेज़ी: Zero-point energy, ZPE) किसी क्वांटम यांत्रिक तंत्र की न्यूनतम संभावित ऊर्जा है। शास्त्रीय यांत्रिकी के विपरीत, क्वांटम तंत्र हाइज़ेनबर्ग के अनिश्चितता सिद्धांत के अनुसार अपनी न्यूनतम ऊर्जा अवस्था में निरंतर दोलन करते हैं। अतः परम शून्य तापमान पर भी परमाणु एवं अणु कुछ कंपनशील गति बनाए रखते हैं। परमाणुओं एवं अणुओं से इतर, निर्वात का रिक्त स्थान भी ये गुण धारण करता है। क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत के अनुसार ब्रह्मांड को पृथक कणों के बजाय सतत दोलनशील क्षेत्रों के रूप में समझा जा सकता है: द्रव्य क्षेत्र, जिनके क्वांटा फ़र्मियान (अर्थात लेप्टॉन और क्वार्क) हैं, तथा बल क्षेत्र, जिनके क्वांटा बोसॉन (उदाहरणार्थ फोटॉन और ग्लुऑन) हैं। सभी ये क्षेत्र शून्य-बिंदु ऊर्जा धारण करते हैं। ये दोलनशील शून्य-बिंदु क्षेत्र भौतिकी में एक प्रकार के ईथर की पुनःप्रविष्टि का कारण बनते हैं क्योंकि कुछ तंत्र इस ऊर्जा के अस्तित्व का पता लगा सकते हैं। हालाँकि, यदि यह ईथर लॉरेंत्ज़ अपरिवर्तनीय है तो इसे कोई भौतिक माध्यम नहीं माना जा सकता, ताकि आइंस्टीन के विशेष सापेक्षता सिद्धांत से कोई विरोधाभास न हो।

शून्य-बिंदु ऊर्जा की संकल्पना ब्रह्माण्डविद्या के लिए भी महत्वपूर्ण है, और भौतिकी के पास वर्तमान में इस संदर्भ में शून्य-बिंदु ऊर्जा को समझने हेतु कोई पूर्ण सैद्धांतिक प्रतिमान नहीं है; विशेष रूप से ब्रह्मांड में सैद्धांतिक और प्रेक्षित निर्वात ऊर्जा के बीच का अंतर प्रमुख विवाद का स्रोत है।See  and  for review articles and ,  for press comment फिर भी आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता सिद्धांत के अनुसार, कोई भी ऐसी ऊर्जा गुरुत्वाकर्षण उत्पन्न करेगी, और ब्रह्मांड के विस्तार, गुप्त ऊर्जा तथा कैसिमिर प्रभाव से प्राप्त प्रायोगिक प्रमाण दर्शाते हैं कि ऐसी कोई भी ऊर्जा अत्यंत दुर्बल है। एक प्रस्ताव जो इस समस्या का समाधान करने का प्रयास करता है, यह कहता है कि फ़र्मियान क्षेत्र की ऋणात्मक शून्य-बिंदु ऊर्जा होती है, जबकि बोसॉन क्षेत्र की धनात्मक शून्य-बिंदु ऊर्जा होती है और इस प्रकार ये ऊर्जाएँ किसी प्रकार एक-दूसरे को निरस्त कर देती हैं। यह विचार सत्य होता यदि अतिसममिति प्रकृति की एक निश्चित सममिति होती; तथापि, यूरोपीय नाभिकीय अनुसंधान संगठन (CERN) में स्थित लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर ने अब तक इसका कोई प्रमाण नहीं पाया है। इसके अतिरिक्त, यह ज्ञात है कि यदि अतिसममिति किसी भी रूप में मान्य है, तो यह अधिकतम एक टूटी हुई सममिति है, जो केवल अत्यधिक उच्च ऊर्जाओं पर सत्य है, और कोई भी ऐसा सिद्धांत प्रस्तुत नहीं कर पाया है जहाँ शून्य-बिंदु निरसन हमारे आज के निम्न-ऊर्जा ब्रह्मांड में घटित होते हों। इस विसंगति को ब्रह्माण्डिक स्थिरांक समस्या के रूप में जाना जाता है और यह भौतिकी के सबसे बड़े अनसुलझे रहस्यों में से एक है। अनेक भौतिकविदों का मानना है कि "निर्वात प्रकृति की पूर्ण समझ की कुंजी रखता है"।

 अवलोकन 
दाएँ|अंगूठाकार|गतिज ऊर्जा और तापमान के बीच संबंध
शास्त्रीय यांत्रिकी में सभी कणों को उनकी स्थितिज ऊर्जा और गतिज ऊर्जा से बनी कुछ ऊर्जा रखने वाले के रूप में सोचा जा सकता है। उदाहरण के लिए तापमान, गतिज ऊर्जा (ब्राउनी गति के रूप में ज्ञात) के कारण यादृच्छिक कण गति की तीव्रता से उत्पन्न होता है। जैसे ही तापमान परम शून्य तक घटाया जाता है, यह सोचा जा सकता है कि सभी गति रुक जाती है और कण पूर्णतः विराम में आ जाते हैं। वास्तव में, तथापि, कणों द्वारा न्यूनतम संभव तापमान पर भी गतिज ऊर्जा बनाए रखी जाती है। इस शून्य-बिंदु ऊर्जा के अनुरूप यादृच्छिक गति कभी विलुप्त नहीं होती; यह क्वांटम यांत्रिकी के अनिश्चितता सिद्धांत का परिणाम है।  [citation needed]
बाएँ|अंगूठाकार|शून्य-बिंदु विकिरण निरंतर रूप से एक इलेक्ट्रॉन पर यादृच्छिक आवेग डालता है, ताकि वह कभी भी पूरी तरह से रुक न सके। शून्य-बिंदु विकिरण, सरल आवर्ती दोलक को एक औसत ऊर्जा प्रदान करता है, जो ऑस्सीलेशन की आवृत्ति के एक-आधे प्लांक स्थिरांक से गुणा होने के बराबर होती है।
अनिश्चितता सिद्धांत कहता है कि कोई भी वस्तु कभी भी स्थिति और वेग के सटीक मान एक साथ नहीं रख सकती। क्वांटम यांत्रिक वस्तु की कुल ऊर्जा (स्थितिज और गतिज) उसके हैमिल्टोनियन द्वारा वर्णित होती है जो तंत्र को एक कंपनशील दोलक या तरंग फलन के रूप में भी वर्णित करता है जो विभिन्न ऊर्जा अवस्थाओं के बीच दोलन करता है। सभी क्वांटम यांत्रिक तंत्र अपनी आद्य अवस्था में भी दोलन करते हैं, जो उनकी तरंग-सदृश प्रकृति का परिणाम है। अनिश्चितता सिद्धांत प्रत्येक क्वांटम यांत्रिक तंत्र को अपने शास्त्रीय स्थितिज कूप के न्यूनतम से अधिक एक दोलनशील शून्य-बिंदु ऊर्जा रखने की आवश्यकता होती है। इसका परिणाम परम शून्य पर भी गति में होता है। उदाहरण के लिए, द्रव हिलियम अपनी शून्य-बिंदु ऊर्जा के कारण वायुमंडलीय दाब के अंतर्गत तापमान की परवाह किए बिना जमता नहीं है।

आइंस्टीन के E = mc² द्वारा व्यक्त द्रव्यमान और ऊर्जा की तुल्यता को देखते हुए, ऊर्जा युक्त अंतरिक्ष का कोई भी बिंदु कणों को उत्पन्न करने हेतु द्रव्यमान रखने वाला माना जा सकता है। आधुनिक भौतिकी ने द्रव्य और बलों के बीच मौलिक अंतःक्रियाओं को समझने हेतु क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत (QFT) विकसित किया है; यह अंतरिक्ष के प्रत्येक बिंदु को एक क्वांटम कंपनशील दोलक के रूप में मानता है। QFT के अनुसार ब्रह्मांड द्रव्य क्षेत्रों से बना है, जिनके क्वांटा फ़र्मियान (अर्थात लेप्टॉन और क्वार्क) हैं, और बल क्षेत्रों से बना है, जिनके क्वांटा बोसॉन (उदाहरणार्थ फोटॉन और ग्लुऑन) हैं। सभी ये क्षेत्र शून्य-बिंदु ऊर्जा धारण करते हैं। हाल के प्रयोग इस विचार का समर्थन करते हैं कि कणों को स्वयं अंतर्निहित क्वांटम निर्वात की उत्तेजित अवस्थाओं के रूप में सोचा जा सकता है, और पदार्थ के सभी गुण केवल शून्य-बिंदु क्षेत्र की अंतःक्रियाओं से उत्पन्न निर्वात दोलन हैं।

यह विचार कि "रिक्त" स्थान इसके साथ जुड़ी एक आंतरिक ऊर्जा रख सकता है, और "वास्तविक निर्वात" जैसी कोई चीज़ नहीं है, प्रतीत होता है कि सहजज्ञान के विपरीत है। प्रायः यह तर्क दिया जाता है कि संपूर्ण ब्रह्मांड पूर्णतः शून्य-बिंदु विकिरण में स्नात है, और इस रूप में यह गणनाओं में केवल कुछ स्थिर मात्रा जोड़ सकता है। अतः भौतिक माप केवल इस मान से विचलन ही प्रकट करेंगे। अनेक व्यावहारिक गणनाओं में शून्य-बिंदु ऊर्जा को गणितीय प्रतिमान में एक ऐसे पद के रूप में उपेक्षित कर दिया जाता है जिसका कोई भौतिक प्रभाव नहीं होता। तथापि ऐसा उपचार समस्याएँ उत्पन्न करता है, क्योंकि आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता सिद्धांत में अंतरिक्ष का निरपेक्ष ऊर्जा मान कोई स्वेच्छ स्थिरांक नहीं है और ब्रह्माण्डिक स्थिरांक को जन्म देता है। दशकों तक अधिकांश भौतिकविदों ने यह माना कि कोई अनदेखा मौलिक सिद्धांत है जो अनंत शून्य-बिंदु ऊर्जा को हटा देगा और उसे पूर्णतः विलुप्त कर देगा। यदि निर्वात की ऊर्जा का कोई आंतरिक, निरपेक्ष मान नहीं है तो वह गुरुत्वाकर्षण उत्पन्न नहीं करेगा। यह विश्वास किया जाता था कि जैसे-जैसे ब्रह्मांड महाविस्फोट सिद्धान्त की परिणति से विस्तार करता है, रिक्त स्थान के किसी एकांश में निहित ऊर्जा घटेगी क्योंकि कुल ऊर्जा ब्रह्मांड के आयतन को भरने हेतु फैलती है; ब्रह्मांड में आकाशगंगाएँ और सभी द्रव्य मंद होना प्रारंभ कर देना चाहिए। यह संभावना १९९८ में इस खोज द्वारा निरस्त कर दी गई कि ब्रह्मांड का विस्तार धीमा नहीं हो रहा है बल्कि वास्तव में त्वरित हो रहा है, जिसका अर्थ है कि रिक्त स्थान वास्तव में कुछ आंतरिक ऊर्जा रखता है। डार्क एनर्जी की खोज की व्याख्या शून्य-बिंदु ऊर्जा द्वारा सर्वोत्तम रूप से की जाती है, यद्यपि यह अभी भी एक रहस्य बना हुआ है कि यह मान प्राप्त होने वाले विशाल मान की तुलना में इतना लघु क्यों प्रतीत होता है।

शून्य-बिंदु ऊर्जा के लिए ज़िम्मेदार कई भौतिक प्रभावों का प्रायोगिक रूप से सत्यापन किया जा चुका है, जैसे स्वतःउत्सर्जन, कैसिमिर बल, लैम्ब विस्थापन, इलेक्ट्रॉन का चुंबकीय आघूर्ण और डेलब्रुक प्रकीर्णन। इन प्रभावों को प्रायः "विकिरणीय संशोधन" कहा जाता है। अधिक जटिल अरैखिक सिद्धांतों में शून्य-बिंदु ऊर्जा अनेक जटिल घटनाओं को जन्म दे सकती है जैसे बहुस्थायी अवस्थाएँ, सममिति भंग, अराजकता और उद्भवन। अनुसंधान के सक्रिय क्षेत्रों में आभासी कणों के प्रभाव, क्वांटम उलझाव, जड़त्वीय और गुरुत्वीय द्रव्यमान के बीच अंतर (यदि कोई हो), प्रकाश की गति में परिवर्तन, ब्रह्माण्डिक स्थिरांक के प्रेक्षित मान का कारण तथा डार्क एनर्जी की प्रकृति सम्मिलित हैं।See ,  and  for comment.

 संदर्भ 

श्रेणी:ऊष्मागतिकी
श्रेणी:पदार्थ विज्ञान
श्रेणी:संघनित द्रव्य भौतिकी
श्रेणी:गणितीय भौतिकी
श्रेणी:भौतिकी की अवधारणाएँ
श्रेणी:क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत
श्रेणी:सीएस1 जर्मन-भाषा स्रोत (de)