Μπορεί μια περιοχή του χώρου να περιέχει λιγότερο από το τίποτα; Η συνηθισμένη αίσθηση θα πει όχι. Το περισσότερο που μπορεί να γίνει είναι να αφαιρεθεί όλη η ύλη και η ενέργεια και να μείνει το κενό. Αλλά οι κβαντικοί φυσικοί έχουν την τάση να περιπλέκουν τις αισθήσεις μας και αυτή δεν είναι εξαίρεση. Έτσι μια περιοχή χώρου μπορεί να περιέχει λιγότερο από το τίποτα. Η πυκνότητα ενέργειας δηλαδή μπορεί να είναι αρνητική. Οι επιπτώσεις είναι παράξενες. Σύμφωνα με την θεωρία της βαρύτητας του Einstein , η παρουσία ύλης και ενέργειας καμπυλώνει τον χωροχρόνο. Ότι λαμβάνουμε σαν βαρύτητα είναι μια χωροχρονική παραμόρφωση που παράγεται από κανονική , θετική ενέργεια ή μάζα. Αλλά όταν αρνητική ενέργεια και μάζα , η λεγόμενη εξωτική μάζα , καμπυλώνει τον χωροχρόνο όλων των ειδών τα φαινόμενα μπορούν να συμβούν: σκουληκότρυπες που μπορούν να λειτουργήσουν σαν τούνελ σε μακρινά άκρα του γαλαξία , διακτίνηση που μπορεί να επιτρέψει ταξίδια με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός ακόμα και μηχανές χρόνου που θα επιτρέψουν επιστροφή στο παρελθόν. Η αρνητική ενέργεια μπορεί ακόμα να μας επιτρέψει την δημιουργία αεικίνητων μηχανών.
Ωστόσο αν και τα πιθανά παράδοξα της επιστροφής στο χρόνο έχουν εξερευνηθεί από τις ταινίες επιστημονικής φαντασίας , αυτά που συνεπάγονται από την εξωτική μάζα είναι επίσης μεγάλα προβλήματα. Έτσι γεννιέται ένα σημαντικό ερώτημα: Οι νόμοι της φυσικής που επιτρέπουν την ύπαρξη αρνητικής ενέργειας έχουν κάποια όρια στην συμπεριφορά τους; Έχει ανακαλυφθεί ότι η φύση θέτει σοβαρούς περιορισμούς στο μέγεθος και στην διάρκεια της αρνητικής ενέργειας , κάτι που ατυχώς φαίνεται να καθιστά την δημιουργία σκουληκότρυπας και διακτίνησης εξαιρετικά δύσκολη.
Πριν αναφερθούμε σε οτιδήποτε άλλο είναι σημαντικό να προσδιορίσουμε τι ακριβώς είναι αρνητική ενέργεια. Όταν ένα ηλεκτρόνιο συναντά το αντισωματίδιό του , το ποζιτρόνιο, συγκρούονται και εξαυλώνονται. Τα παραγόμενα είναι ακτίνες gamma που μεταφέρουν θετική ενέργεια. Αν τα αντισωματίδια αποτελούνταν από αρνητική ενέργεια μια τέτοια αλληλεπίδραση θα μπορούσε να έχει τελική ενέργεια ίση με μηδέν. Σίγουρα δεν πρέπει να γίνει σύγχυση με αντιδράσεις που έχουν αρνητική πίεση αλλά θετική ενέργεια.
Το θέμα της αρνητικής ενέργειας δεν είναι φαντασία: μερικά από τα φαινόμενά του έχουν παραχθεί στο εργαστήριο. Προκύπτουν από την αρχή της απροσδιοριστίας του Heisenberg. Ακόμα και αν η πυκνότητα ενέργειας είναι μηδέν κατά μέσο όρο όπως στο κενό , υπάρχουν διακυμάνσεις. Έτσι το κβαντικό κενό δεν μπορεί ποτέ να μείνει κενό με την κλασσική έννοια του όρου. Είναι μια ολόκληρη θάλασσα σωματιδίων που στιγμιαία μεταβαίνουν από και προς την αφάνεια και την ύπαρξη. Στην κβαντική φυσική ο συνηθισμένος όρος της μηδενικής ενέργειας ανταποκρίνεται στο κενό με όλες αυτές τις διακυμάνσεις. Έτσι αν κάποιος προσπαθήσει με κάποιο τέχνασμα να μετριάσει τις ταλαντώσεις , το κενό θα έχει λιγότερες αντιδράσεις από τις συνηθισμένες. Έτσι θα υπάρχει και λιγότερη ενέργεια από την συνηθισμένη, και σαν αποτέλεσμα θα παραχθεί και λιγότερη ενέργεια από την μηδενική σύμφωνα με τις αρχές της κβαντικής φυσικής.
Σαν παράδειγμα , ερευνητές στον τομέα της οπτικής έχουν δημιουργήσει ειδικές καταστάσεις πεδίων στις οποίες κβαντικές αλληλεπιδράσεις υποβιβάζουν τις διακυμάνσεις του κενού. Αυτές οι λεγόμενες “δεμένες” καταστάσεις κενού περιέχουν και αρνητική ενέργεια. Πιο συγκεκριμένα σχετίζονται με περιοχές που εναλλάσσεται η θετική με την αρνητική ενέργεια. Η μέση ολική ενέργεια παραμένει θετική: Πιέζοντας περισσότερο το κενό παράγεται αρνητική ενέργεια σε αντάλλαγμα με θετική σε κάποιο άλλο σημείο. Ένα τυπικό πείραμα περιέχει ακτίνα laser που διέρχεται μέσα από μη γραμμικά οπτικά υλικά. Το εστιασμένο φως του laser υποχρεώνει το υλικό να παράγει ζεύγη από quanta φωτός. Αυτά τα φωτόνια ενισχύονται και καταστέλλουν τις διακυμάνσεις του κενού οδηγώντας σε περιοχές θετικής και αρνητικής ενέργειας αντίστοιχα.
Μια άλλη μέθοδος για να παραχθεί αρνητική ενέργεια είναι μέσω των γεωμετρικών συνόρων του χώρου. Το 1948 ο Γερμανός φυσικός Hendrik G. Casimir απέδειξε ότι δυο αφόρτιστες παράλληλες μεταλλικές πλάκες όταν βρίσκονται μέσα στο κενό εναλλάσσουν τις διακυμάνσεις του με αποτέλεσμα να έλκονται μεταξύ τους. Η πυκνότητα ενέργειας που μετρήθηκε αργότερα μεταξύ των πλακών βρέθηκε αρνητική. Στην πραγματικότητα οι πλάκες μειώνουν τις διακυμάνσεις στο διάστημα μεταξύ τους. Αυτό παράγει αρνητική ενέργεια και πίεση κάτι που τις έλκει. Όσο στενότερο το διάστημα μεταξύ των πλακών , τόσο πιο αρνητική η ενέργεια και τόσο μεγαλύτερη η δύναμη αλληλεπίδρασης. Το φαινόμενο Casimir έχει μετρηθεί από τους Steve K. Lamereaux του Los Alamos National Laboratory και τον Umar Morideen του πανεπιστημίου της California στο Riverside, καθώς και τον συνεργάτη του Anushree Roy. Άλλες ομάδες έχουν επιβεβαιώσει τα πειράματα και έχουν αρχίσει να εξερευνούν το ρόλο του φαινομένου στην νανοτεχνολογία. Τόσο για το φαινόμενο Casimir όσο και για τις “δεμένες” καταστάσεις οι ερευνητές έχουν μετρήσει μόνο έμμεσα την αρνητική ενέργεια. Απευθείας παρατηρήσεις είναι πιο δύσκολες αλλά μπορεί να γίνουν πραγματικότητα χρησιμοποιώντας ατομικά spin.
Το θέμα της αρνητικής ενέργειας σχετίζεται με πολλά θέματα της σύγχρονης φυσικής. Σχετίζεται και με τις μαύρες τρύπες. Το 1974 ο Stephen W. Hawking του πανεπιστημίου του Cambridge πρόβλεψε ότι οι μαύρες τρύπες “εξατμίζονται” εκλύοντας ακτινοβολία. Μια μαύρη τρύπα ακτινοβολεί ενέργεια με ρυθμό αντιστρόφως ανάλογο με το τετράγωνο της μάζας της. Αν και ο ρυθμός “εξάτμισης” είναι μεγάλος μόνο για υποατομικής κλίμακας μαύρες τρύπες , παρέχει μια σημαντική συσχέτιση μεταξύ των νόμων για τις μαύρες τρύπες και των νόμων της θερμοδυναμικής. Η ακτινοβολία Hawking επιτρέπει στις μαύρες τρύπες να έρθουν σε θερμική ισορροπία με το περιβάλλον τους. Με μια πρώτη ματιά η εξάτμιση τους οδηγεί σε μια αντίφαση. Ο ορίζοντας της μαύρης τρύπας είναι μονόδρομος. Η ενέργεια μπορεί μόνο να εισέλθει αλλά όχι και να εξέλθει. Τότε πως ακτινοβολεί ραδιενέργεια; Επειδή η ενέργεια πρέπει να διατηρείται , η παραγωγή θετικής ενέργειας που βλέπουν μακρινοί παρατηρητές σαν εκπομπή ακτινοβολίας Hawking , συνοδεύεται από εισροή αρνητικής ενέργειας στις μαύρες τρύπες. Εδώ παράγεται από την μεγάλη χωροχρονική καμπυλότητά της και η ύπαρξή της είναι απαραίτητη για την διατήρηση των νόμων που διέπουν τις αρχές της μαύρης τρύπας σε σχέση με την θερμοδυναμική.
Άλλη κλειστή επιφάνεια που η αρνητική ενέργεια έχει πρωταρχική σημασία είναι η λεγόμενη σκουληκότρυπα, μια υποθετικού τύπου σήραγγα που ενώνει μια χωροχρονική περιοχή με μια άλλη. Οι θεωρητικοί φυσικοί πιστεύουν ότι οι σκουληκότρυπες εμφανίζονται και εξαφανίζονται στιγμιαία σαν εικονικά σωματίδια. Στα τέλη της δεκαετίας του 1980 διάφοροι ερευνητές όπως ο Michael S. Morris και ο Kip S. Thorne από το California Institute of Technology , και ο Matt Uisser από το πανεπιστήμιο του Washington βρήκαν ότι συγκεκριμένες σκουληκότρυπες μπορούν να γίνουν αρκετά μεγάλες για έναν άνθρωπο ή ένα διαστημόπλοιο. Κάποιος μπορεί να μπει από μια δίοδο στην Γη, να προχωρήσει μέσα στην σκουληκότρυπα, και διασχίζοντάς την να φτάσει στην Ανδρομέδα. Το “κόλπο” είναι η αρνητική ενέργεια που απαιτεί η σκουληκότρυπα. Επειδή είναι βαρυτικά απωστική θα αποτρέψει την σκουληκότρυπα από το να καταρρεύσει. Πριν μπορέσει κάποιος να την διασχίσει θα πρέπει να γίνει εφικτό να στέλνει σήματα με την μορφή φωτεινών κυμάτων και να περνούν μέσα από αυτήν. Τα οπτικά κύματα πρέπει να συγκλίνουν από την μια άκρη στην άλλη και να αποκλίνουν από το τέρμα προς την αρχή. Η απόκλιση της οπτικής ακτίνας απαιτεί αρνητική ενέργεια. Αν και η καμπύλωση του χώρου που παράγεται από το ελκτικό βαρυτικό πεδίο συνηθισμένης μάζας λειτουργεί σαν συγκλίνων φακός , η αρνητική ενέργεια λειτουργεί σαν αποκλίνων φακός στον χωροχρόνο. Τέτοια χωροχρονική διαστρέβλωση παρακινεί το ενδιαφέρον για ένα ακόμα όνειρο της επιστημονικής φαντασίας: Το ταξίδι ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός. To 1994 , ο Miguel Alcubierre Moya, από το πανεπιστήμιο της Ουαλίας στο Cardiff , ανακάλυψε μια λύση στις εξισώσεις του Einstein που έχει πολλά από τα χαρακτηριστικά του λεγόμενου “warp drive”. Περιγράφει μια χωροχρονική φυσαλίδα που μεταφέρει το διαστημόπλοιο σε τρομερά υψηλότερες ταχύτητες σχετικά με τους παρατηρητές που είναι έξω από της φυσαλίδα. Οι υπολογισμοί έδειξαν ότι προκειμένου να χρησιμοποιηθεί η χωροχρονική φυσαλίδα απαιτείται αρνητική ενέργεια. Ωστόσο το λεγόμενο “warp drive” παραβιάζει την ειδική θεωρία της σχετικότητας. Με μια δεύτερη ματιά όμως φαίνεται να την ξεπερνά χωρίς να την παραβιάζει. Αυτό γίνεται γιατί όταν ο χωροχρόνος καμπυλώνεται μπορεί να ξεπεραστεί ένα οπτικό κύμα ακολουθώντας μια πιο σύντομη οδό, μια διαφορετική πορεία. Η συστολή του χωροχρόνου μπροστά από την χωροχρονική φυσαλίδα και η επέκταση πίσω του δημιουργεί μια τέτοια συντόμευση.
Ένα πρόβλημα που τόνισε ο Sergei V. Krasnikov του Central Astronomical Observatory στο Pulkovo στην Ρωσία, είναι ότι το εσωτερικό της χωροχρονικής φυσαλίδας είναι αποσυνδεδεμένο από το εξωτερικό τμήμα της. Ένας κυβερνήτης στο εσωτερικό δεν μπορεί να την κατευθύνει ή να την σβήσει και να την ξεκινήσει. Απαιτείται εξωτερική παρέμβαση. Προκειμένου να ξεπεραστεί το πρόβλημα, ο Krasnikov πρότεινε μια ειδική δίοδο που ενώνει δυο χωροχρονικά σημεία. Ωστόσο απαιτεί αρνητική ενέργεια , κάτι που απέδειξαν και οι Ken D. Olum μαζί με τους Bruce Bassett, Sijie Gao και Robert M. Wald, ότι δηλαδή ένα ταξίδι με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός απαιτεί αρνητική ενέργεια.
Αν κάποιος δημιουργήσει σκουληκότρυπες , ακόμα και το ταξίδι στον χρόνο είναι δυνατό. Σε αυτήν την περίπτωση κάποιος που αφήσει τη Γη και ταξιδέψει με ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός μπορεί και να επιστρέψει πριν την στιγμή που έφυγε σύμφωνα με τους θεωρητικούς φυσικούς. Οι Morris, Thorne και Ulvi Yurtsever, τότε στο Caltech , πρότειναν μια μηχανή για σκουληκότρυπες το 1988 και η δημοσίευσή τους έχει δώσει μεγάλη ώθηση στην συγκεκριμένη έρευνα. Το 1992 ο Hawking απέδειξε ότι οποιαδήποτε κατασκευή χρονομηχανής σε πεπερασμένη χωροχρονική περιοχή απαιτεί αρνητική ενέργεια. Η αρνητική ενέργεια είναι τόσο παράξενη που κάποιος μπορεί να νομίζει ότι παραβιάζει βασικούς νόμους της φυσικής. Πριν και μετά την δημιουργία ίσης ποσότητας αρνητικής και θετικής ενέργειας σε κενό χώρο , η συνολική ενέργεια είναι μηδέν, έτσι ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας δεν παραβιάζεται. Ωστόσο υπάρχουν πολλά φαινόμενα στην φύση που ισχύει η αρχή διατήρησης της ενέργειας αλλά δεν παρατηρούνται ποτέ στον πραγματικό κόσμο. Για παράδειγμα ένα σπασμένο γυαλί δεν ξανασυνθέτει ποτέ τον εαυτό του και η θερμότητα δεν ρέει ποτέ από το ψυχρό προς το θερμό. Τέτοια φαινόμενα απαγορεύονται από τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Η βασική αρχή υποδηλώνει ότι ο βαθμός αποδιοργάνωσης ενός συστήματος , η εντροπία , δεν μπορεί να ελαττωθεί από μόνη της χωρίς την εισροή ενέργειας. Έτσι ένα ψυγείο που αντλεί θερμότητα από το εσωτερικό του προς το εξωτερικό απαιτεί την ύπαρξη εξωτερικής πηγής ενέργειας. Παρόμοια ο δεύτερος νόμος απαγορεύει την πλήρη μετατροπή της θερμότητας σε ωφέλιμο έργο. Η αρνητική ενέργεια αντικρούεται με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Ωστόσο μπορεί να έχει σημαντικές επιπτώσεις στις μαύρες τρύπες. Κατά την δημιουργία της μαύρης τρύπας , η γενική θεωρία της σχετικότητας προβλέπει μια περιοχή που το βαρυτικό πεδίο γίνεται εξαιρετικά δυνατό. Σε αυτό το σημείο όλοι οι γνωστοί νόμοι της φυσικής αδυνατούν να απαντήσουν τι γίνεται μετά. Αυτή η αδυναμία είναι μια αποτυχία για την σημερινή μαθηματική περιγραφή της φύσης. Όσο το φαινόμενο κρύβεται πίσω από το δικό του ορίζοντα γεγονότων το πρόβλημα είναι μικρό. Οπουδήποτε έξω από αυτόν τον ορίζοντα υπάρχει σαφήνεια σχετικά με το τι νόμοι επικρατούν. Για αυτόν τον λόγο ο Roger Penrose του πανεπιστημίου της Οξφόρδης πρότεινε μια κοσμική υπόθεση: Δεν μπορούν να υπάρχουν τέτοιου είδους περιοχές εξαιρετικά δυνατών βαρυτικών πεδίων χωρίς να καλύπτονται από ορίζοντες γεγονότων. Για ειδικού τύπου φορτισμένων ή περιστρεφόμενων τύπων μαύρης τρύπας , γνωστές ως ακραίες μαύρες τρύπες, ακόμα και μια μικρή αύξηση του φορτίου ή της περιστροφής ή ακόμα μείωση της μάζας μπορεί θεωρητικά να καταστρέψει τον ορίζοντα των γεγονότων. Θα μπορούσε κάποιος να οραματιστεί μια μείωση στην μάζα εστιάζοντας μια ακτίνα αρνητικής ενέργειας χωρίς να μεταβάλει το φορτίο και την περιστροφή. Το προηγούμενο παράδειγμα είναι μακροσκοπικό φαινόμενο για το πώς η αρνητική ενέργεια αποτελεί τον πιο κατάλληλο παράγοντα αλλαγής του ορίζοντα των γεγονότων.
Αν και η κβαντική θεωρία επιτρέπει την ύπαρξη αρνητικής ενέργειας , θέτει σοβαρούς περιορισμούς τόσο ως προς το μέγεθος όσο και ως προς την διάρκεια. Οι περιορισμοί αυτοί είναι γνωστοί ως κβαντικές ανισότητες. Προτάθηκαν αρχικά το 1978 και μέχρι σήμερα έχουν αποδειχθεί από πολλούς επιστήμονες. Υποστηρίζουν ότι μια ακτίνα αρνητικής ενέργειας δεν μπορεί να εκτεθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Η διάρκεια ζωής της είναι αντιστρόφως ανάλογη με την διάρκεια έκθεσής της. Μια παρατεταμένης διάρκεια ακτίνα διαρκεί για λίγο , ενώ μια μικρής διάρκειας ακτίνα διαρκεί πολύ περισσότερο. Ακόμα είναι απαραίτητη η συνοδεία μιας ακτίνας θετικής ενέργειας. Η αρνητική ενέργεια πρέπει να θεωρείται πάντα σαν ένα δάνειο θετικής ενέργειας που πρέπει να επιστραφεί. Όταν εφαρμόζεται σε σκουληκότρυπες , οι κβαντικές ανισότητες απαιτούν να εφαρμοστούν σε κλίμακες υποατομικές. Το 1996 αποδείχτηκε ότι έχουν μήκος όχι μεγαλύτερο από 10-32 μέτρα , το οποίο είναι μόλις μεγαλύτερο του κρίσιμου μήκους plank 10-35 . Βρέθηκε ότι είναι δυνατόν να μοντελοποιηθούν σκουληκότρυπες με μακροσκοπικό μέγεθος αλλά με τίμημα η αρνητική ενέργεια να έχει ως όριο ένα εξαιρετικά μικρό πάχος. Για παράδειγμα, άνοιγμα ακτίνας 1 μέτρο , απαιτείται η αρνητική ενέργεια να είναι σε δέσμη όχι μεγαλύτερη από 10-21 μέτρα. Υπολογίστηκε επίσης ότι η αρνητική ενέργεια που απαιτείται για την συγκεκριμένη σκουληκότρυπα έχει ενεργειακό μέγεθος που ισούται με την ενέργεια που εκλύουν 10 δισεκατομμύρια άστρα για 1 χρόνο. Έτσι βλέπουμε ότι οι μηχανικοί που ασχολούνται με τις σκουληκότρυπες έχουν να συναντήσουν πολλά προβλήματα. Πρέπει να βρουν τρόπους να χωρέσουν μεγάλα ποσά αρνητικής ενέργειας σε εξαιρετικά μικρά μεγέθη. Οι λεγόμενες χορδές που έχουν εισάγει διάφορες κοσμολογικές θεωρίες περιέχουν πολλές ενεργειακές πυκνότητες σε μακριές και λεπτές γραμμές. Ωστόσο όλες οι γνωστές θεωρίες χορδών έχουν θετικές πυκνότητες ενέργειας.
Στο λεγόμενο “warp drive” υπάρχουν ακόμα περισσότερες δυσκολίες. Στο υπάρχον μοντέλο χωροχρονικής φυσαλίδας που ταξιδεύει μέχρι και 10 φορές την ταχύτητα του φωτός, πρέπει να έχει πάχος στο τοίχωμα όχι περισσότερο από 10-32 μέτρα. Μια χωροχρονική φυσαλίδα που να περικλείει ένα διαστημόπλοιο 200 μέτρα απαιτεί συνολική ποσότητα αρνητικής ενέργειας ίση με 10 δισεκατομμύρια φορές της μάζας του παρατηρούμενου σύμπαν.
Τα παραπάνω δείχνουν ότι είναι σχεδόν αδύνατον να δημιουργηθούν σκουληκότρυπες και το λεγόμενο “warp drive” χρησιμοποιώντας αρνητική ενέργεια που παράγεται από κβαντικά φαινόμενα με όσα γνωρίζουμε μέχρι σήμερα. Ωστόσο η φύση μας επιφυλάσσει πάντα πολλές εκπλήξεις.
