能量是一個必須始終為正的量，至少這是直覺告訴我們的。如果每個單個粒子都從一定體積中移除，直到?jīng)]有剩下任何可能攜帶能量的物質(zhì)，那么就達到了極限是嗎？或者即使是從真空空間中也能提出取能量嗎？

量子物理學一次又一次地證明它與我們的直覺相矛盾，在這種情況下也是如此。在某些條件下，負能量是允許存在的，至少在一定的空間和時間范圍內(nèi)是允許的。

維也納科技大學、比利時布魯塞勒大學和印度理工學院坎普爾分校的一個國際研究小組現(xiàn)在已經(jīng)研究了負能量的可能程度。事實證明，無論考慮哪種量子理論，無論假設宇宙中的對稱性如何，“借用”能量總是有一定的限制。能量可以小于零，但就像向銀行借錢一樣，這種能量最終必須“還清”。維也納科技大學理論物理研究所的Daniel Grumiller教授說：在廣義相對論中，通常假設能量在宇宙中的任何時候、任何地方都大于零。

這對引力有一個非常重要的結(jié)果：能量通過公式E=MC2與質(zhì)量相關聯(lián)，因此，負能量也意味著負質(zhì)量。正質(zhì)量相互吸引，但質(zhì)量為負時，引力可能突然變成一種斥力。然而，量子理論允許負能量存在，根據(jù)量子物理，在特定位置從真空中借用能量是可能的，就像從銀行借錢一樣。很長一段時間，科學現(xiàn)在不知道這種“能量信貸的最高金額以及必須支付的可能利率”。關于這種”利息“(在文獻中稱為”量子利益“)的各種假設已經(jīng)發(fā)表，但還沒有達成全面的結(jié)果。

2017年證明所謂的“量子零能量條件”(QNEC)，通過將相對論和量子物理聯(lián)系起來，為能量的“借用”規(guī)定了一定限制：因此允許小于零的能量，但只能在一定范圍內(nèi)，并且只在一定時間內(nèi)。能有多少能量在能量信用極限耗盡之前，從真空中借來的依賴于一個量子物理量，即所謂的糾纏熵。在某種意義上，糾纏熵是衡量一個系統(tǒng)行為受量子物理控制的程度，如果量子糾纏在空間的某個點起到關鍵作用。例如接近黑洞邊緣，那么在一段時間內(nèi)可能會出現(xiàn)負能量流動，并且該區(qū)域中的負能量成為可能。

Grumiller現(xiàn)在能夠和Max Riegler和Pulastya Parekh一起推廣這些特殊計算。Max Riegler在維也納科技大學的Daniel Grumiller研究小組完成了論文，現(xiàn)在哈佛擔任博士后。來自坎普爾(印度)IIT的Pulastya Parekh是Erwin Schr?dinger研究所和TU Wien的客人。Grumiller表示：之前所有考慮都是指遵循狹義相對論對稱性的量子理論。但現(xiàn)在已經(jīng)能夠證明，負能量和量子糾纏之間這種聯(lián)系是一種更普遍的現(xiàn)象。

不意味著違反能量守恒定律

明確禁止從真空中提取無限能量的能量條件，對于非常不同的量子理論是有效的，無論對稱性如何。能量守恒定律是不能被智取的，當然，這與神秘的“超越統(tǒng)一機器”無關，據(jù)說它們無中生有地產(chǎn)生能量，因為它們在神秘的圈子里反復出現(xiàn)。

自然界允許能量在某一特定時間段內(nèi)小于零的事實并不意味著違反了能量守恒定律，為了在某個位置啟用負能量流，必須在緊鄰的位置有補償性的正能量流。即使事情比以前想象的要復雜一些，能量也不能從無中獲得，即使它可以變成負能量。新研究結(jié)果現(xiàn)在對負能量設置了嚴格的界限，從而將其與量子力學的典型屬性聯(lián)系起來。

博科園｜研究/來自：維也納科技大學

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.121602

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