Energie is een grootheid die altijd positief moet zijn - althans dat vertelt onze intuïtie ons. Als elk afzonderlijk deeltje uit een bepaald volume wordt verwijderd totdat er niets meer over is dat mogelijk energie zou kunnen dragen, dan is er een grens bereikt. Of heeft het? Is het nog mogelijk om zelfs uit lege ruimte energie te halen?

De kwantumfysica heeft keer op keer aangetoond dat het in tegenspraak is met onze intuïtie, wat in dit geval ook zo is. Onder bepaalde omstandigheden, negatieve energieën zijn toegestaan, tenminste in een bepaald bereik van ruimte en tijd. Een internationaal onderzoeksteam aan de TU Wenen, de Université libre de Bruxelles (België) en het IIT Kanpur (India) hebben nu onderzocht in hoeverre negatieve energie mogelijk is. Het blijkt dat ongeacht welke kwantumtheorieën worden overwogen, het maakt niet uit welke symmetrieën verondersteld worden te gelden in het universum, er zijn altijd bepaalde grenzen aan het "lenen" van energie. lokaal, de energie kan kleiner zijn dan nul, maar als geld geleend van een bank, deze energie moet uiteindelijk worden "terugbetaald".

Weerzinwekkende zwaartekracht

"In de theorie van de algemene relativiteitstheorie, we nemen meestal aan dat de energie groter is dan nul, altijd en overal in het universum, " zegt prof. Daniel Grumiller van het Instituut voor Theoretische Fysica aan de TU Wien (Wenen). Dit heeft een zeer belangrijke consequentie voor de zwaartekracht:Energie is gekoppeld aan massa via de formule E=mc². Negatieve energie zou dus ook negatieve massa betekenen. Positieve massa's trekken elkaar aan, maar met een negatieve massa, zwaartekracht kan plotseling een afstotende kracht worden.

Kwantum theorie, echter, laat negatieve energie toe. "Volgens de kwantumfysica, het is mogelijk om op een bepaalde locatie energie te lenen uit een vacuüm, als geld van een bank, ", zegt Daniel Grumiller. "Lange tijd, we hebben het nu niet gehad over het maximale bedrag van dit soort energiekrediet en over eventuele rentetarieven die betaald moeten worden. Er zijn verschillende veronderstellingen over deze "rente" (in de literatuur bekend als "Quantum Interest") gepubliceerd, maar er is geen alomvattend resultaat overeengekomen.

De zogenaamde "quantum null energy condition" (QNEC), wat in 2017 werd bewezen, stelt bepaalde limieten voor het "lenen" van energie door relativiteitstheorie en kwantumfysica te koppelen:een energie kleiner dan nul is dus toegestaan, maar alleen in een bepaald bereik en alleen voor een bepaalde tijd. Hoeveel energie kan zijn?
geleend uit een vacuüm voordat de energetische kredietlimiet is uitgeput, hangt af van een kwantumfysische grootheid, de zogenaamde verstrengelingsentropie.

"In zekere zin verstrengelingsentropie is een maat voor hoe sterk het gedrag van een systeem wordt bepaald door de kwantumfysica, ", zegt Daniel Grumiller. "Als kwantumverstrengeling ergens in de ruimte een cruciale rol speelt, bijvoorbeeld dicht bij de rand van een zwart gat, dan kan er gedurende een bepaalde tijd een negatieve energiestroom optreden, en negatieve energieën mogelijk worden in die regio."

Grumiller was nu in staat om deze speciale berekeningen samen met Max Riegler en Pulastya Parekh te generaliseren. Max Riegler voltooide zijn proefschrift in de onderzoeksgroep van Daniel Grumiller aan de TU Wien en werkt nu als postdoc in Harvard. Pulastya Parekh van het IIT in Kanpur (India) was te gast bij het Erwin Schrödinger Instituut en bij de TU Wien.

"Alle eerdere overwegingen hebben altijd verwezen naar kwantumtheorieën die de symmetrieën van de speciale relativiteitstheorie volgen. Maar we hebben nu kunnen aantonen dat dit verband tussen negatieve energie en kwantumverstrengeling een veel algemener fenomeen is, ", zegt Grumiller. De energievoorwaarden die de extractie van oneindige hoeveelheden energie uit een vacuüm duidelijk verbieden, gelden voor heel verschillende kwantumtheorieën, ongeacht de symmetrie.

De wet van energiebesparing kan niet te slim af zijn

Natuurlijk, dit heeft niets te maken met mystieke "over-eenheidsmachines" die energie zouden opwekken uit het niets, zoals ze herhaaldelijk worden gepresenteerd in esoterische kringen. "Het feit dat de natuur gedurende een bepaalde tijd op een bepaalde plaats een energie kleiner dan nul toelaat, betekent niet dat de wet van behoud van energie wordt geschonden, " benadrukt Daniel Grumiller. "Om negatieve energiestromen op een bepaalde locatie mogelijk te maken, er moeten compenserende positieve energiestromen in de directe omgeving zijn."

Ook al is de zaak wat ingewikkelder dan eerder werd gedacht, energie kan niet uit niets worden gehaald, ook al kan het negatief worden. De nieuwe onderzoeksresultaten stellen nu strikte grenzen aan negatieve energie, waardoor het wordt verbonden met typische eigenschappen van de kwantummechanica.