量子諧振子

零點能

零點能是量子振子在再也無處可降時仍保有的能量。把一個經典彈簧冷卻到絕對零度,它會乾脆死寂地停在靜止點上,沒有任何能量。量子振子做不到這一點:它可能的最低能量不是零,而是 ½ℏω——半個振動量子,永遠無法被抽乾。

原因在於不確定性原理。要擁有恰好為零的能量,粒子就得同時具備確定的位置(正好在最底部)和確定的動量(恰好為零),而量子力學禁止把這兩者同時完美地釘死。系統只好折中——位置上有一點瀰散,動量上也有一點——而這種不可避免的抖動便承載著那剩下的 ½ℏω。

零點能並非奇談,而是經測量證實的實在。它使液氦不致在自身重壓下凍結,為分子與固體中的振動設定了基線;而量子場的類似能量,則在金屬板之間那微小卻真實的卡西米爾力中顯現出來。它是量子力學為「一個定義明確的最低態之存在」本身所收取的代價。

E_0 = ½ ℏω > 0 (energy of the n = 0 ground state)

即便是最低態也帶有半個量子——振子從不真正停下。

真空被預言的龐大零點能,與觀測到的極小宇宙學常數嚴重牴觸——這就是「真空災難」,物理學最深的未解之謎之一。零點能也不是一種可利用的免費能源;你無法從一個已處於最低態的系統中提取功。

又稱
ground-state energyZPE零点能量基态能