Energi är en kvantitet som alltid måste vara positiv – det är åtminstone vad vår intuition säger oss. Om varje enskild partikel tas bort från en viss volym tills det inte finns något kvar som kan bära energi, då har en gräns nåtts. Eller har det? Är det fortfarande möjligt att utvinna energi även från tomma utrymmen?

Kvantfysiken har gång på gång visat att den motsäger vår intuition, vilket också är sant i detta fall. Under vissa förutsättningar, negativa energier är tillåtna, åtminstone inom ett visst intervall av rum och tid. Ett internationellt forskarlag vid TU Wien, Université libre de Bruxelles (Belgien) och IIT Kanpur (Indien) har nu undersökt i vilken utsträckning negativ energi är möjlig. Det visar sig att oavsett vilka kvantteorier som betraktas, oavsett vilka symmetrier som antas hålla i universum, det finns alltid vissa gränser för att "låna" energi. Lokalt, energin kan vara mindre än noll, men som pengar lånade från en bank, denna energi måste "betalas tillbaka" i slutändan.

Avstötande gravitation

"I teorin om allmän relativitet, vi antar vanligtvis att energin är större än noll, vid alla tidpunkter och överallt i universum, " säger prof. Daniel Grumiller från Institutet för teoretisk fysik vid TU Wien (Wien). Detta har en mycket viktig konsekvens för gravitationen:Energi är kopplad till massa via formeln E=mc². Negativ energi skulle därför också betyda negativ massa. Positiva massor attraherar varandra, men med en negativ massa, gravitationen kan plötsligt bli en frånstötande kraft.

Kvantteorin, dock, tillåter negativ energi. "Enligt kvantfysiken, det är möjligt att låna energi från ett vakuum på en viss plats, som pengar från en bank, " säger Daniel Grumiller. "Länge, vi talade nu inte om det maximala beloppet för denna typ av energikrediter och om eventuella räntor som måste betalas. Olika antaganden om detta "intresse" (känd i litteraturen som "Quantum Interest") har publicerats, men man har inte kommit överens om något heltäckande resultat.

Det så kallade "kvantnollenergitillståndet" (QNEC), vilket bevisades 2017, föreskriver vissa gränser för "låning" av energi genom att koppla ihop relativitetsteori och kvantfysik:En energi mindre än noll är alltså tillåten, men bara inom ett visst intervall och bara under en viss tid. Hur mycket energi kan vara
lånat från ett vakuum innan den energiska kreditgränsen har förbrukats beror på en kvantfysisk kvantitet, den så kallade entanglement-entropin.

"I viss mening, entanglement entropi är ett mått på hur starkt beteendet hos ett system styrs av kvantfysik, " säger Daniel Grumiller. "Om kvantförveckling spelar en avgörande roll någon gång i rymden, till exempel nära kanten på ett svart hål, då kan ett negativt energiflöde inträffa under en viss tid, och negativa energier blir möjliga i den regionen."

Grumiller kunde nu generalisera dessa speciella beräkningar tillsammans med Max Riegler och Pulastya Parekh. Max Riegler avslutade sin avhandling i Daniel Grumillers forskargrupp vid TU Wien och arbetar nu som postdoc vid Harvard. Pulastya Parekh från IIT i Kanpur (Indien) var gäst på Erwin Schrödinger Institute och vid TU Wien.

"Alla tidigare överväganden har alltid hänvisat till kvantteorier som följer specialrelativitetens symmetrier. Men vi har nu kunnat visa att detta samband mellan negativ energi och kvanttrassling är ett mycket mer allmänt fenomen, " säger Grumiller. Energiförhållandena som tydligt förbjuder utvinning av oändliga mängder energi från ett vakuum är giltiga för mycket olika kvantteorier, oavsett symmetri.

Lagen om energihushållning kan inte överlistas

Självklart, detta har ingenting att göra med mystiska "over unity machines" som påstås generera energi ur ingenting, som de upprepade gånger presenteras i esoteriska kretsar. "Det faktum att naturen tillåter en energi som är mindre än noll under en viss tidsperiod på en viss plats betyder inte att lagen om bevarande av energi överträds, " betonar Daniel Grumiller. "För att möjliggöra negativa energiflöden på en viss plats, det måste finnas kompenserande positiva energiflöden i omedelbar närhet."

Även om saken är något mer komplicerad än man tidigare trott, energi kan inte erhållas från ingenting, även om det kan bli negativt. De nya forskningsresultaten sätter nu snäva gränser för negativ energi, därigenom förbinder det med kvantmekanikens kvintmekaniska egenskaper.