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“正能量”究竟是什么? [编辑] [删除]
2016-09-21 11:22:00 | 分类: 物理杂谈

  如今,“正能量”一词被大众用来表达积极和乐观的心态,同时也在互联网上迅速蹿红了起来。新浪、新华、人民网等这些新闻门户上面经常会看到带有“传播正能量”的新闻标题,这句短语现已经成为当今世界报纸媒体的主流话题,人人都想成为一个正能量性格的人,从而很多人现在都在用积极的心态演绎每一天。然而大家可能不知道的是,其实“正能量”一词本身来源于理论物理学,是物理学家于上世纪中叶提出的一个概念。那么,它究竟是什么意思呢?


  正能量这个词汇,最初来源于物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac),是他最初在物理学巨著《量子力学原理》中正式提出这样的理论。有些人可能会误以为物体做正功就是具有正能量,其实不然。实际上,正能量是物理学上的一种属性,它总是伴随着负能量而相互存在。要理解正能量究竟是什么,我们首先要来了解一个名词:真空零点能。物理学上规定正能量就是指高于真空零点能的能量。

保罗狄克拉


  大家都知道,在经典物理学中,对于真空的定义是抽去空气的空间。在平常人看来,真空是一个空空如也的区域,里面不存在什么物质和能量。但在量子力学中这种说法简直就是大错特错,量子力学认为:真空并非是完全空的,非但如此,在真空里面存在着大量正反虚粒子对,这些起伏的虚粒子对反复产生而又相互湮灭,这种效果我们叫它“量子涨落”,它使得真空中充满着大量能量,这种能量是普通粒子谐振的动能来源。

量子起伏涨落

  为了验证这些虚粒子能量的存在,上世纪40年代,物理学家亨德里克·卡西米尔(Hendrik B. G. Casimir)曾经设计过一个量子化的实验:考虑一对接地、电中性的金属板,将其放置在真空当中。此时,倘若有虚光子(粒子)存在于金属板内部(也可以看作量子化辐射的光子气),假设其波长等于两个金属板的间隔——当金属板相互靠拢的时候,其间隔就会变小,虚光子(粒子)由于波长相对变长就会被挤压出去。越相互靠拢,金属板内部的虚粒子就会越少,这样就会导致金属板外侧的虚粒子比内侧的要多得多。

卡西米尔效应

  此时,由于金属板外侧的虚粒子数目大于内侧,因而外侧的虚粒子就会对两片金属板产生一种向内靠拢的压力,就好像内部抽去空气的矿泉水瓶外层的大气压力一样。后来,这种力真被科学家探测到了,从而也就证实了真空中确实存在一种由量子涨落所产生的本底能量。为了纪念这位卡西米尔的功绩,物理学家将这个效果称作卡西米尔效应(这个力也叫“卡西米尔力”)。

卡西米尔效应

  现在我们知道了,卡西米尔力的产生是源自于真空中蕴含着的虚粒子的能量。那么,这种能量也被普遍看作一个物理系统当中最低能级的能量,我们把该系统的状态叫做“基态”。众所周知,原子是由若干个电子和一个原子核组成。电子的运转靠库仑力支持,而在量子力学当中,库仑力是电子交换虚光子所产生的一种基本力——这样,当电子处于最低能级(-13.6eV)也就是基态时,虚光子所有的能量就是真空能,它也可以被解释为量子谐振的最低能量,在零点(绝对零度)时给粒子提供动能。所以,真空能也被称作“真空零点能”,这便是学术上的标准称谓。

  前面我们说过,正能量在物理学上的概念就是大于这种真空零点能的能量。那么,既然存在正能量,那现在就有一个问题出现了,那就是——是否有与其相反的负能量存在呢?答案是肯定的,并且,高于真空零点能的被称作“正能”,那么反过来,当物质的能量密度低于真空零点能的时候,我们就说该物体具有负能量。很显然,我们可以把这两种能量看作一条一维坐标轴,以真空零点能为原点,右侧正的数值看作正能量,左侧负的数值看作负能量。

  在现实生活中,正、负能量的例子有很多,并且两者总是伴随着相互出现。生活中大部分的能量通常都是正能量,例如我们在跑步运动时所产生的动能,火柴燃烧时的热能量等等,它们都大于空间中的真空能。最奇特的例子恐怕要当属使宇宙加速膨胀的暗能量了。


  暗能量在太阳系中无处不在,最初是由一个天文小组在1998年对Ia-超新星观测时发现并确认其存在的。它总是和大质量天体共同出现,它有点像宇宙星系的助推者,并总是以一种螺旋的状态带动星体运动着,其所具有的负压强阻止引力无法使星系收缩。所以,从这个角度看,它可以看作一种类“反引力”的能量——而既然它与引力成反作用,因而我们说引力能量的属性是与其截然相反的,所以,在此我们说引力势能是一种负能量。
  “万有引力”这一词语对于我们来讲并不陌生,现在恐怕全世界的多数人都知道,自从当年物理学家艾赛克·牛顿(Isaac Newton)首次在他的著作《自然哲学的数学原理》中提出万有引力定律时,它就被全世界欢呼为人类有史以来最伟大的发现。引力势能是物体在引力场中具有的能量,在现代物理学当中,引力势是负能量的典型例子,且负能量总是和势能密切相关。引力为何被看作负能量呢?我们现在就来解释一下:考虑桌上有一个水杯,当它被抬高远离地球时,其引力势

  在这里,
各指万有引力常数和地球质量,为水杯的惯性质量。从方程里我们就可以看得出来,如果当水杯离地球无限远的时候,水杯的势能就消失为零了,此时,水杯处于一个零势能点;而在这个时候,如果水杯从零势能点突然又向地球开始靠近,那么这个时候的地心引力对这个水杯作正功,这意味着引力势能的能量减少了;换个角度想,引力是保守力,保守力做功同样表示势能减少——而水杯在无限远处的引力势本身就是零,若再减少,那就只能是负数了,所以,我们把引力势看作负能量。

  正、负能量在物理学上的概念和在生活中的概念是不同的,物理学上的负能量只不过是能量的不同状态而已。而对于我们自身而言,在生活中多增添、传递些“正能量”,同时保持阳光心态,这样才能使得我们的生活更加多姿多彩。

(转自于蝌蚪五线谱)

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