Negatif enerji

Negatif enerji, fizikte iki farklı bağlamda karşımıza çıkar. Klasik fizikte kütleçekim potansiyel enerjisi geleneksel olarak negatif yazılır: iki cisim birbirinden sonsuz uzaktayken sıfırdır, yaklaştıkça eksiye doğru büyür. Daha ilginç olan ikinci anlam kuantum fiziğinden gelir: belirli koşullarda uzayın bir bölgesindeki enerji yoğunluğu, hiçbir şey içermeyen boşluğun enerjisinden daha düşük olabilir. Bu duruma negatif enerji yoğunluğu denir ve kuantum alan kuramıyla uyumludur.

Nasıl işler?

Kuantum mekaniğine göre boşluk tam anlamıyla boş değildir; belirsizlik ilkesi, kısa süre var olup yok olan sanal parçacık-karşıt parçacık çiftlerine izin verir. Bu dalgalanmalar bir yerde bastırılırsa orada boşluğa göre daha az enerji kalır. En bilinen örnek Casimir etkisidir: Hollandalı fizikçi Hendrik Casimir 1948'de, boşlukta birbirine çok yakın duran yüksüz iki iletken levhanın arasına yalnızca belirli dalga boylarının sığabileceğini, bu yüzden levhaların birbirine doğru itileceğini öngördü. Steven Lamoreaux 1997'de bu kuvveti kuramın öngördüğü değere yüzde 5 yakınlıkla ölçtü. 10 nanometrelik aralıkta etki yaklaşık 1 atmosfer basınca karşılık gelir.

Bazı fizikçiler Casimir kuvvetinin boşluk enerjisine başvurmadan, levhalardaki yükler arasındaki göreli bir van der Waals etkileşimi olarak da açıklanabileceğini savunur; yani ölçülen kuvvetin yorumu tartışmalıdır.

Kuantum kuramı negatif enerjiye sınırsız izin de vermez. Hesaplar, enerjinin keyfî ölçüde negatif olduğu ve bu durumun keyfî uzunlukta sürdüğü hâllerin yasak olduğunu gösterir: bir bölgede biriken negatif enerji kısa sürede pozitif enerjiyle dengelenmek zorundadır. Kozmolojide de benzer bir denge fikri vardır. "Sıfır enerjili evren" modelinde maddenin pozitif enerjisi, kütleçekimin negatif enerjisiyle tam olarak sıfırlanır; bu modellerden hangisinin gerçek evreni anlattığı ise belirsizdir.

Örnekler

• Sıkıştırılmış ışık: Lazer ışınları kuantum girişimiyle düzenlenerek boşluk dalgalanmaları bastırılabilir; dalga boyunca pozitif ve negatif enerjili bölgeler sırayla oluşur.
• Hawking ışıması: Olay ufkunun hemen yanında doğan sanal çiftin negatif enerjili üyesi kara deliğe düşer, diğeri kaçar. Böylece kara delik çok yavaş enerji kaybeder; ayrıntısı Hawking ışıması sayfasında.
• Penrose süreci: Dönen bir kara deliğin olay ufkunun dışındaki ergosfer bölgesinde bir parçacığın enerjisi negatif olabilir. İkiye bölünen bir cismin negatif enerjili parçası içeri düşerken diğeri daha fazla enerjiyle kaçar.
• Dirac denizi: Paul Dirac 1930'da boşluğu negatif enerjili durumlarla dolu bir deniz olarak düşündü. Bu fikir kısa sürede karşıt madde kuramına dönüştü ve 1932'de pozitron keşfedildi.

Neden önemli?

Genel görelilikteki "enerji koşulları", kabaca enerji yoğunluğunun negatif olamayacağını varsayar ve kara deliklerle ilgili birçok önemli teoremin ispatında kullanılır. Negatif enerji bu varsayımları sınar. Geçilebilir solucan delikleri ve Alcubierre sürücüsü gibi kuramsal yapılar, açık kalabilmek için büyük miktarda negatif enerjiye ya da egzotik maddeye ihtiyaç duyar. Ancak kuram, enerjinin istenen kadar negatif olmasına ve bunun istenen kadar uzun sürmesine izin vermez. Bu nedenle negatif enerjinin varlığı deneysel olarak desteklense de, bu tür yapıların gerçekleştirilebileceği bugün için yalnızca bir varsayımdır.

Yine de tartışma kapanmış değil. Stephen Hawking ve Kip Thorne gibi fizikçiler, Casimir türü kuantum etkilerinin bir solucan deliğini kararlı tutabileceğini öne sürdü. İlk hesaplar çok büyük miktarda negatif enerji gerektiğini gösterirken, sonraki hesaplar gereken miktarın istenildiği kadar küçültülebileceğini ortaya koydu.

İlgili terimler

• Casimir etkisi
• Egzotik madde
• Sanal parçacık
• Enerji koşulları
• Hawking ışıması
• Karanlık enerji