L'energia è una quantità che deve essere sempre positiva, almeno così ci dice il nostro intuito. Se ogni singola particella viene rimossa da un certo volume fino a quando non rimane più nulla che possa trasportare energia, allora è stato raggiunto un limite. O ce l'ha? È ancora possibile estrarre energia anche dallo spazio vuoto?

La fisica quantistica ha dimostrato più volte di contraddire la nostra intuizione, il che è vero anche in questo caso. A determinate condizioni, le energie negative sono consentite, almeno in un certo intervallo di spazio e tempo. Un team di ricerca internazionale presso la TU Vienna, l'Université libre de Bruxelles (Belgio) e l'IIT Kanpur (India) hanno ora studiato fino a che punto l'energia negativa è possibile. Si scopre che non importa quali teorie quantistiche siano considerate, non importa quali simmetrie si presume abbiano nell'universo, ci sono sempre dei limiti al "prendere in prestito" l'energia. a livello locale, l'energia può essere inferiore a zero, ma come denaro preso in prestito da una banca, questa energia deve essere "ripagata" alla fine.

Gravità repulsiva

"Nella teoria della Relatività Generale, di solito assumiamo che l'energia sia maggiore di zero, in ogni momento e ovunque nell'universo, " afferma il Prof. Daniel Grumiller dell'Istituto di Fisica Teorica della TU Wien (Vienna). Questo ha una conseguenza molto importante per la gravità:l'energia è legata alla massa tramite la formula E=mc². Energia negativa significherebbe quindi anche massa negativa. Le masse positive si attraggono, ma con massa negativa, la gravità potrebbe improvvisamente diventare una forza repulsiva.

Teoria dei quanti, però, permette l'energia negativa. "Secondo la fisica quantistica, è possibile prendere in prestito energia da un vuoto in una certa posizione, come soldi di una banca, " dice Daniel Grumiller. "Per molto tempo, non abbiamo parlato ora dell'importo massimo di questo tipo di credito energetico e dei possibili tassi di interesse che devono essere pagati. Sono state pubblicate varie ipotesi su questo "interesse" (noto in letteratura come "Quantum Interest"), ma non è stato concordato alcun risultato completo.

La cosiddetta "condizione di energia quantistica nulla" (QNEC), che è stato dimostrato nel 2017, prescrive alcuni limiti per il "prestito" di energia collegando la teoria della relatività e la fisica quantistica:un'energia inferiore a zero è quindi consentita, ma solo in un certo intervallo e solo per un certo tempo. Quanta energia può essere
mutuato dal vuoto prima che il limite di credito energetico sia esaurito dipende da una grandezza fisica quantistica, la cosiddetta entropia di entanglement.

«In un certo senso, l'entanglement entropia è una misura di quanto fortemente il comportamento di un sistema è governato dalla fisica quantistica, " dice Daniel Grumiller. "Se l'entanglement quantistico gioca un ruolo cruciale ad un certo punto nello spazio, per esempio vicino al bordo di un buco nero, quindi può verificarsi un flusso di energia negativa per un certo tempo, e le energie negative diventano possibili in quella regione."

Grumiller era ora in grado di generalizzare questi calcoli speciali insieme a Max Riegler e Pulastya Parekh. Max Riegler ha completato la sua tesi nel gruppo di ricerca di Daniel Grumiller alla TU Wien e ora lavora come postdoc ad Harvard. Pulastya Parekh dell'IIT di Kanpur (India) è stata ospite dell'Erwin Schrödinger Institute e della TU Wien.

"Tutte le considerazioni precedenti si sono sempre riferite a teorie quantistiche che seguono le simmetrie della Relatività Speciale. Ma ora siamo stati in grado di dimostrare che questa connessione tra energia negativa e entanglement quantistico è un fenomeno molto più generale, " dice Grumiller. Le condizioni energetiche che vietano chiaramente l'estrazione di quantità infinite di energia dal vuoto sono valide per teorie quantistiche molto diverse, indipendentemente dalle simmetrie.

La legge del risparmio energetico non può essere superata in astuzia

Certo, questo non ha nulla a che fare con le mistiche "macchine over unity" che presumibilmente generano energia dal nulla, come sono ripetutamente presentati nei circoli esoterici. "Il fatto che la natura permetta un'energia minore di zero per un certo periodo di tempo in un certo luogo non significa che la legge di conservazione dell'energia sia violata, " sottolinea Daniel Grumiller. "Per consentire flussi di energia negativa in un determinato luogo, ci devono essere flussi di energia positiva compensativa nelle immediate vicinanze."

Anche se la questione è un po' più complicata di quanto si pensasse in precedenza, l'energia non si ottiene dal nulla, anche se può diventare negativo. I nuovi risultati della ricerca ora pongono limiti stretti all'energia negativa, collegandolo così con le proprietà per eccellenza della meccanica quantistica.