La energía de punto cero ( ZPE ) es la energía más baja posible que puede tener un sistema mecánico cuántico . A diferencia de la mecánica clásica , los sistemas cuánticos fluctúan constantemente en su estado de energía más bajo, tal como lo describe el principio de incertidumbre de Heisenberg . [1] Por lo tanto, incluso en el cero absoluto , los átomos y las moléculas conservan cierto movimiento vibratorio. Aparte de los átomos y las moléculas , el espacio vacío del vacío también tiene estas propiedades. Según la teoría cuántica de campos, se puede pensar en el universo no como partículas aisladas sino como campos fluctuantes continuos : campos de materia , cuyos cuantos son fermiones (es decir, leptones y quarks ), y campos de fuerza , cuyos cuantos son bosones (por ejemplo, fotones y gluones ). Todos estos campos tienen energía de punto cero. [2] Estos campos de punto cero fluctuantes conducen a una especie de reintroducción de un éter en la física [1] [3]ya que algunos sistemas pueden detectar la existencia de esta energía. Sin embargo, este éter no puede considerarse como un medio físico si debe ser invariante de Lorentz , de modo que no haya contradicción con la teoría de la relatividad especial de Einstein . [1]
La noción de energía de punto cero también es importante para la cosmología y la física actualmente carece de un modelo teórico completo para comprender la energía de punto cero en este contexto; en particular, la discrepancia entre la energía del vacío teorizada y observada en el universo es una fuente de gran controversia. [4] Los físicos Richard Feynman y John Wheeler calcularon que la radiación de punto cero del vacío es un orden de magnitud mayor que la energía nuclear , con una sola bombilla que contiene suficiente energía para hervir todos los océanos del mundo. [5] Sin embargo, según la teoría de la relatividad general de Einstein, cualquier energía de este tipo gravitaría, y la evidencia experimental de la expansión del universo , la energía oscura y el efecto Casimir muestran que dicha energía es excepcionalmente débil. Una propuesta popular que intenta abordar este problema es decir que el campo de fermiones tiene una energía de punto cero negativa, mientras que el campo de bosones tiene una energía de punto cero positiva y, por lo tanto, estas energías de alguna manera se anulan entre sí. [6] [7] Esta idea sería cierta si la supersimetría fuera una simetría exacta de la naturaleza ; sin embargo, el LHC en el CERNhasta ahora no ha encontrado ninguna evidencia que lo respalde. Además, se sabe que si la supersimetría es válida en absoluto, es como mucho una simetría rota , solo cierta a muy altas energías, y nadie ha podido demostrar una teoría en la que se produzcan cancelaciones de punto cero en el universo de baja energía. observamos hoy. [7] Esta discrepancia se conoce como el problema de la constante cosmológica y es uno de los mayores misterios sin resolver de la física . Muchos físicos creen que "el vacío es la clave para una comprensión completa de la naturaleza". [8]
El término energía de punto cero (ZPE) es una traducción del alemán Nullpunktsenergie. [9] A veces se usan indistintamente los términos radiación de punto cero y energía del estado fundamental . El término campo de punto cero ( ZPF ) se puede utilizar cuando se hace referencia a un campo de vacío específico, por ejemplo, el vacío QED que se ocupa específicamente de la electrodinámica cuántica (p. ej., interacciones electromagnéticas entre fotones, electrones y el vacío) o el vacío QCD que se ocupa de con cromodinámica cuántica (p. ej., carga de colorinteracciones entre quarks, gluones y el vacío). Un vacío puede verse no como un espacio vacío sino como la combinación de todos los campos de punto cero. En la teoría cuántica de campos, esta combinación de campos se denomina estado de vacío , su energía de punto cero asociada se denomina energía de vacío y el valor de energía promedio se denomina valor esperado de vacío (VEV), también denominado su condensado .