אנרגית ואקום היא מעין 'אנרגית רקע' שקיימת במרחב גם ללא חומר. מבחינה קוונטית, למערכת יש הסתברות קטנה מאוד להגיע למצב של אפס אנרגיה, ועל כן מצב האנרגיה הנמוך ביותר למעשה לעולם לא יהיה שווה לאפס המוחלט. במכניקת הקוונטים (העולם המיקרוסקופי), יש לנו אי ודאות לגבי מצב מערכת פיסיקלית כלשהי. מעקרון אי הודאות יוצא שלא נוכל לקבוע שהאנרגיה של מרחב ריק שווה ל 0.
אנרגית הואקום ניתנת להסקה מחלקיקים וירטואליים, שהם בעצמם תוצאה של עקרון אי הודאות שבין האנרגיה והזמן. אפקט אנרגית הואקום נצפית בתופעות שונות, כמו לדוגמא פליטה ספונטנית ואפקט קזימיר. על פי אפקט קזימיר ישנו כח משיכה קטן מאוד בין שני לוחות מתכת קרובים מאוד עקב תהודות (רזוננס) באנרגית הואקום במרחב שבין 2 הלוחות. אפקט קזימיר אומת ניסויית פעמים רבות. על כן, אפשר לומר, בצורה פשטוה, שאנרגית הואקום היא "אמיתית" בדיוק כמו אלקטרונים, שדות מגנטיים וכו' (על אפקט קזימיר נרחיב בתשובה נפרדת).
בתורת השדות הקוונטית (הכללה של מכניקת הקוונטים לאינסוף דרגות חופש), מצב הואקום, שנקרא גם הואקום, הוא המצב הקוונטי עם האנרגיה הנמוכה ביותר האפשרית. באופן כללי, הואקום אינו מכיל חלקיקים פיסיקליים. המושג "שדה נקודת האפס" הוא לפעמים משמש כמילה נרדפת למצב הואקום של שדה אינדיוידואלי מקוונטט.
על פי איך שאנו מבינים זאת כיום, מצב הואקןם הוא לא 'מרחב ריק' ועל כן טעות היא לחשוב על ואקום פיסיקלי כעל חלל ריק מוחלט. בעולם הקוונטי, מצב הואקום הוא לא באמת ריק אלא מכיל גלים אלקטרומנטיים בני חלוף וחלקיקים שצצים ונעלמים. כפי שהסברנו, ניתן לחשוב על אנרגית הואקום במונחים של חלקיקים וירטאליים (הידועים גם בשם 'תנודות ואקום') אשר נוצרים ומושמדים מתוך הואקום. חלקיקים אלו תמיד נוצרים מתוך הואקום בזוגות של חלקיק-אנטי חלקיק, אשר במהרה משמידים אחד את השני ונעלמים. אולם, חלקיקים ואנטי חלקיקים אלו יכולים ליצור אינטרקציה עם חלקיקים אחרים לפני שהם נעלמים.
אגב, החלקיקים הוירטואליים הם לא הגורם היחיד של 'אנרגיה ואקום'. אכן, החלקיקים הוירטואלים תורמים לאנרגיית הוואקום, אבל מבחינה תאורטית, תורת היחסות הכללית מאפשרת למעשה קיום של אנרגיית ואקום שרירותית מה, גם ללא לקחת בחשבון את התנודות ואת קיומם בפועל של חלקיקים וירטואליים. בקוסמולוגיה, אנרגיית הואקום נחשבת כיום למקור של הקבוע הקוסמולוגי.
הבעייתיות היא שבין אנרגיית הואקום לקבוע הקוסמולוגי יש הבדל עצום של כ 120 סדרי גודל! סתירה זו אינה ניתנת לפתרון עדיין (לא נפרט על כך כאן).
האנרגיה של סנטימטר מעוקב של חלל ריק הינה כאחד חלקי טריליאון ארג בהתבסס על החסם העליון של הקבוע הקוסמולוגי (ארג היא יחידה מידה לאנרגיה ולעבודה במערכת היחידות של "סנטימטר-גרם-שנייה").
התמונה מתארת את ההתרחשויות בואקום הקוונטי. בתמונה אנו רואים זוגות של חלקיקים שמופיעים ולפתע משמידים אחד את השני בהתאמה עם עיקרון אי הודאות.
נסכם: בפיסיקה קלאסית (תופעות מאקוסקופיות), מרחב-זמן ריק נקרא ואקום. הואקום הקלאסי הוא לחלוטין ללא שום מאפיינים. אולם במכניקת הקוונטים (תופעות מיקרוסקופיות), הואקום הינו ישות מורכבת בהרבה, הוא בעל מאפיינים ובכלל זה לא ריק למעשה. הואקום הקוונטי הוא פשוט מצב אופייני מסויים של שדה קוונטי (המתאים לחלקיקים מסוימים).
זהו המצב הקוונטי שבו שום שדה קוונטי מעורר, כלומר חלקיקים אינם קיימים. לכן, זהו 'מצב היסוד' של השדה הקוונטי, המצב עם האנרגיה המינימלית.
מאת: חיים ברק
המחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
