【簡単】真空とは|なぜ真空エネルギーは無限大なのか

【簡単】真空とは|なぜ真空エネルギーは無限大なのか 量子力学

「真空って何? 僕たちの住んでる場所はどのくらいの分子がいるの? 真空エネルギーが無限大って本当? カシミール効果を知りたい。 空洞放射って? 物理学って何だか難しそうだな…」

こういった疑問に物理学修士&MBAの筆者が解説します。

結論

真空とは、空間に分子などの物質が存在しない状態のことです。詳細は本記事にて解説します。

本記事の参考文献

本記事の内容

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真空とは

真空とは、空間に分子などの物質が存在しない状態のことです。例えば私たちの住んでいる場所では1cm3あたり1垓 個の分子が飛び交っています。実験室で真空を状態を作り出そうとしても、1cm3あたり数万個の分子が含まれているのです。なので本当の真空は宇宙でしか再現できません。
真空には真空エネルギーと呼ばれる、物質と反物質を生成して消滅させる無限大エネルギーが含まれており、これは高校物理で習ったエネルギーは必ず保存されるという「エネルギー保存則」を破る現象なのです。
ちなみに温度とは分子の運動の激しさを表していて、温度は何兆個の分子から構成される空間にのみ適用されるため、真空や分子1個に温度を定義することはできないのです。

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真空エネルギーとは

真空エネルギーとは、真空から物質と反物質を生成、消滅させるエネルギーです。例えば真空では光子と呼ばれる光の粒が1ナノ秒(1億分の1秒)の間に生成、消滅を繰り返しています。生成した光子のエネルギーが高い場合は物質(電子など)と反物質(陽電子など)が生成されます。ただし、反物質はすぐに物質と衝突して消えてしまうのです。

真空エネルギーの実験

真空エネルギーの実験の実験には「1.カシミール効果」と「2.空洞放射」があります。それぞれを解説します。

1.カシミール効果

カシミール効果

カシミール効果とは、1997年に米物理学者スティーブ・ラモローが実証した、真空中に2つの平行金属板を置くとくっつくような現象が発生することです。例えば、上写真のように金属板にバッテリーをつなぐと金属板は片方はプラス、もう片方はマイナスに帯電するため、2つの平行板には斥力(くっつく力)が働きます。しかし、真空ではこのようなバッテリーがなくても、2つの平行板に斥力を発生させる真空エネルギーが潜んでいるのです。

2.空洞放射

空洞放射

空洞放射とは上写真のように、真空中に金属箱を置いて、箱を加熱するとあらゆる振動数の電磁波が発生する現象です。金属には自由電子が含まれており、これが熱によって振動して電磁波が発生するのです。プランクがこの実験結果から、プランクの公式を提唱し、電磁波のエネルギーはhν(hはプランク定数、νは振動数で全て同じ値)の整数倍になると述べました。つまり、空洞放射から出てくるエネルギーはhν,2hν,3hν…のように飛び飛びの値になるのです。
しかし1913年、アインシュタインとオットー・シュテルンは金属箱の温度が絶対零度(-273.14℃)になっても箱の中に電磁波が残っている数式を発見しました。

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