พลังงานจุดศูนย์

พลังงานจุดศูนย์ () คือพลังงานต่ำที่สุดเท่าที่ระบบกลศาสตร์ควอนตัมจะสามารถมีได้ ต่างจากกลศาสตร์ดั้งเดิมตรงที่ ระบบควอนตัมจะมีการแกว่งตัวอยู่ตลอดเวลาแม้จะอยู่ในสถานะพลังงานต่ำที่สุด ซึ่งเป็นไปตามที่อธิบายโดยหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนแบร์ก ดังนั้น แม้ที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ อะตอมและโมเลกุลก็ยังคงมีการเคลื่อนที่แบบสั่นอยู่บ้าง นอกจากอะตอมและโมเลกุลแล้ว พื้นที่ว่างเปล่าของสุญญากาศเองก็มีคุณสมบัตินี้เช่นกัน ตามทฤษฎีสนามควอนตัม เราสามารถคิดว่าเอกภพไม่ได้ประกอบด้วยอนุภาคที่แยกส่วนกัน แต่เป็นสนามที่ผันผวนอย่างต่อเนื่อง ได้แก่ สนามสสารซึ่งควอนตัมของมันคือเฟอร์มิออน (เช่น เลปตอนและควาร์ก) และสนามแรงซึ่งควอนตาของมันคือโบซอน (เช่น โฟตอนและกลูออน) สนามเหล่านี้ทั้งหมดล้วนมีพลังงานจุดศูนย์ สนามจุดศูนย์ที่ผันผวนเหล่านี้ได้นำไปสู่การนำแนวคิดเรื่องอีเทอร์นำแสงกลับมาใช้ใหม่ในฟิสิกส์ เนื่องจากมีบางระบบสามารถตรวจจับการมีอยู่ของพลังงานนี้ได้ อย่างไรก็ตาม อีเทอร์นี้ไม่สามารถถูกพิจารณาว่าเป็นตัวกลางทางกายภาพได้ หากต้องการให้มันเป็นไปตามหลักการลอเรนซ์อินแวเรียนต์ (Lorentz invariant) เพื่อไม่ให้ขัดแย้งกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์

แนวคิดเรื่องพลังงานจุดศูนย์ยังมีความสำคัญต่อจักรวาลวิทยาด้วย และในปัจจุบัน ฟิสิกส์ยังขาดแบบจำลองทางทฤษฎีที่สมบูรณ์เพื่อทำความเข้าใจพลังงานจุดศูนย์ในบริบทนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความแตกต่างอย่างมากระหว่างพลังงานสุญญากาศตามทฤษฎีกับการสังเกตในเอกภพ เป็นแหล่งที่มาของข้อขัดแย้งที่สำคัญ ทว่า ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ พลังงานดังกล่าวใด ๆ จะต้องมีแรงโน้มถ่วง และหลักฐานเชิงทดลองจากการขยายตัวของจักรวาล พลังงานมืดและปรากฏการณ์คาซิเมียร์แสดงให้เห็นว่าพลังงานดังกล่าวอ่อนแออย่างยิ่ง ข้อเสนอหนึ่งที่พยายามแก้ไขปัญหานี้คือ การกล่าวว่าสนามเฟอร์มิออนมีพลังงานจุดศูนย์เป็นลบ ในขณะที่สนามโบซอนมีพลังงานจุดศูนย์เป็นบวก และด้วยเหตุนี้พลังงานเหล่านี้จึงหักล้างซึ่งกันและกัน แนวคิดนี้จะเป็นจริงถ้าสมมาตรยิ่งยวดเป็นสมมาตรที่สมบูรณ์ของธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ที่องค์การวิจัยนิวเคลียร์ยุโรปยังไม่พบหลักฐานใด ๆ ที่สนับสนุนเรื่องนี้ นอกจากนี้ เป็นที่ทราบกันว่าหากสมมาตรยิ่งยวดมีความถูกต้องจริง มันก็เป็นได้เพียงสมมาตรที่แตกหัก (broken symmetry) เท่านั้น ซึ่งเป็นจริงแค่ในระดับพลังงานที่สูงมาก และยังไม่มีใครสามารถแสดงทฤษฎีที่การหักล้างของพลังงานจุดศูนย์เกิดขึ้นในจักรวาลพลังงานต่ำที่เราสังเกตการณ์อยู่ในปัจจุบันได้ ความคลาดเคลื่อนนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อ ปัญหาค่าคงที่จักรวาล (cosmological constant problem) และเป็นหนึ่งในความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดที่ยังแก้ไขไม่ได้ในฟิสิกส์ นักฟิสิกส์หลายคนเชื่อว่า "สุญญากาศเป็นกุญแจสำคัญสู่ความเข้าใจธรรมชาติอย่างสมบูรณ์"

อ้างอิง

หมวดหมู่:พลังงานในฟิสิกส์
หมวดหมู่:ทฤษฎีสนามควอนตัม
หมวดหมู่:หลักการสำคัญของฟิสิกส์
หมวดหมู่:ฟิสิกส์คณิตศาสตร์
หมวดหมู่:ฟิสิกส์สสารควบแน่น
หมวดหมู่:วัสดุศาสตร์
หมวดหมู่:อุณหพลศาสตร์