宇宙中蕴藏着无限的能量，我们能否加以利用？

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原作：Paul Sutter

翻译：张雨荷

编排：喻思敏

后台：李子琦

https://www.space.com/astronomy/theres-an-infinite-amount-of-energy-locked-in-the-vacuum-of-space-time-could-we-ever-use-it

宇宙中无穷无尽的能量似乎无法被提取。

图片来源：Yuga Kurita, Getty Images

宇宙中似乎蕴藏着无限的能量，那么我们能不能将这些能量转化为有用的资源呢？

真空能量的概念源自量子场论，这是量子力学与爱因斯坦的狭义相对论相结合的理论。在量子场论中，粒子并非我们通常所理解的那样。相反，它们更准确地说是场，场是跨越所有时空的量子实体。当场中某个局部区域获得足够的能量并开始运动时，我们将其识别为粒子。但真正的基本对象是场本身。

在量子力学中，任何系统都有一组确定的能级，就像原子中电子在轨道上的能量状态一样。类似的，量子场在空间中每一点上也对应有能量。任何有限的体积空间，例如一个空盒子，都包含无限数量的几何点，因此这意味着该体积中存在无限的能量。

即使这些场处于最低可能的能量状态，也就是所谓的零点能态或基态时，这种能量仍然存在。在这个状态下，没有额外的能量输入、没有额外的振动，也没有额外的激发——它就是最低的能量状态，再低就没有了。但由于量子力学的基本不确定性，即使是这个基态也具有相应的能量，因此，真空中的能量依旧是无限的。

但问题是，我们无法从真空中提取这些能量，并将其用于做功。这是因为：不管真空能量的实际数值是多少，它代表的是整个宇宙可能达到的最低能量状态。而要做功，就必须把能量从一个状态转移到另一个状态。但即使你能以某种方式从真空中“抽”出能量，它也没有地方存放，因为无论你做什么，你仍然被真空包围。这就像从一口干涸的井底抽水，已经没有什么可以提供给你了。

如果大量的能量被锁定在时空真空中会怎样？

图片来源：Shutterstock

另一种与场的描述相符的理解方式是通过海森堡不确定性原理。该原理指出，你永远无法同时精确地知道粒子的能量以及它存在的持续时间。这意味着，在宇宙的基态或零点态，粒子可以暂时出现，从真空中“借用”能量，只要它们在足够短的时间内消失，就能将能量返还。

但如果你试图取出其中一个粒子并让它永久存在，这将违反海森堡不确定性原理，因为你从基态借用了能量，而没有及时归还。

这些粒子被称为虚粒子，它们是弥漫在时空中的各种量子场的基本能量的体现。

归根结底，无论零点能量是多少，它始终是宇宙中各种物理现象赖以运行的背景。正如你无法到达一栋没有地下室的建筑物底层以下一样，你也无法到达宇宙基态以下——所以没有任何能量可供你提取，也就无法将其转化为任何可用的能量应用。

因此，不幸的是，宇宙中的一切工作仍然得靠“老办法”来完成：通过我们已知的能量转移和转换机制，而无法从虚空中“榨出”神奇的能量。

责任编辑：陈玮菁

牧夫新媒体编辑部

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真实色彩的土卫二
影像提供: NASA, ESA, JPL, SSI, Cassini Imaging Team