Divulgación Energía del punto cero

[kasio]

Viendo este artículo en la wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%...del_punto_cero, me ha surgido una duda, ¿cómo es posible que en un hipotético sistema el cual alcance los 0 K, haya esta energía "básica"?

Un saludo!

[iaanmartinez]

Re: Energía del punto cero

Hola, hace poco toque este tema con un profesor y me dijo que de acuerdo con la tercera ley de la termodinámica, un sistema en el cero absoluto de temperatura está en su estado fundamental, y su entropía está determinada por la degeneración de éste. Entonces buscando me encontré que muchos sistemas, como las redes cristalinas, tienen un estado fundamental único, y por tanto tienen entropía nula en el cero absoluto (porque ln(1)=0).
Espero te sirva sé que no responde la pregunta pero es un aporte, saludos

[alexpglez]

Re: Energía del punto cero

Viendo este artículo en la wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%...del_punto_cero, me ha surgido una duda, ¿cómo es posible que en un hipotético sistema el cual alcance los 0 K, haya esta energía "básica"?

Un saludo!

Lo que creo que te dice es que nunca se podrán alcanzar los 0 K. Es imposible teóricamente (así cómo en la práctica).

[Mossy]

Re: Energía del punto cero

Viendo este artículo en la wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%...del_punto_cero, me ha surgido una duda, ¿cómo es posible que en un hipotético sistema el cual alcance los 0 K, haya esta energía "básica"?

Un saludo!

Hola,

en realidad no es algo tan raro. Todas las partículas tienen cierta energía y de hecho, debido al principio de incertidumbre, las partículas cuánticas no pueden estar totalmente quietas. Si tienes un sólido puedes decir en primera aproximación que su energía es la energía de vibración de sus partículas como osciladores armónicos ($\sim \hbar \omega$) más la energía debida a la temperatura ($\sim k T$). Si le quitas la energía térmica pues le quedará la energía que tiene como oscilador armónico. Esa no se la vas a poder quitar por más que enfríes el sólido.

Saludos

[alexpglez]

Re: Energía del punto cero

Hola,

en realidad no es algo tan raro. Todas las partículas tienen cierta energía y de hecho, debido al principio de incertidumbre, las partículas cuánticas no pueden estar totalmente quietas. Si tienes un sólido puedes decir en primera aproximación que su energía es la energía de vibración de sus partículas como osciladores armónicos ($\sim \hbar \omega$) más la energía debida a la temperatura ($\sim k T$). Si le quitas la energía térmica pues le quedará la energía que tiene como oscilador armónico. Esa no se la vas a poder quitar por más que enfríes el sólido.

Saludos

Creo que, según lo que he leído por el foro, el significado de la energía del punto 0 es más profunda. Aunque no haya ninguna partícula, sólo espacio vacío, siempre habrá esa energía "del punto 0" y no se llegará a los 0 K. (La razón es que el campo cubre todo el espacio, y aunque no haya ninguna partícula, éste tendrá una cierta energía... lo que se denomina el vacío en física, no es un vacío "filosófico", sino sólo la ausencia de partículas, pero no del campo)
Si bien es cierto que si hay partículas la cosa se complica como dices, ya que sólo observando los orbitales atómicos, creo que no existe el estado de energía 0 y aunque existiese, no puede haber más de dos electrones en el mismo estado, por lo que en el estado de mínima energía habrá mucha más energía que la del punto 0.

[iaanmartinez]

Re: Energía del punto cero

Cito al colega pod en algún artículo que anda dando vueltas por ahí.
"La energía punto cero no es un concepto de mecánica cuántica, sino de teoría cuántica de campos.

En MC, lo primero que tienes que hacer es decir cuantas partículas tiene el sistema que estas estudiando, y poner la función de onda en función de las posiciones de esa cantidad fija e inalterable de partículas (es decir, el número de partículas define que espacio de Hilbert estamos estudiando).

En teoría cuántica de campos, eso ya no es así, ya que tiene en cuenta la creación y destrucción de partículas. Es decir, el número de partículas de un estado puede cambiar en el tiempo. De hecho, el número de partículas es un observable más, con su valor esperado, su varianza, etc. Por ese motivo, en QFT podemos hablar de un estado de cero partículas (cosa que no tiene sentido en la mecánica cuántica usual).

La energía de punto cero es la energía que tiene ese estado de cero partículas (el vacío cuántico). De hecho, es infinita. Eso normalmente no es un problema, ya que para las interacciones "normales" lo único que importa es la diferencia de energía entre estados. La gravedad es la única interacción en que importa la cantidad total de energía, y ese es otro de los motivos por los que la gravedad es tan difícil de cuantizar."

Creo que dice lo justo, estoy muy de acuerdo.

[Mossy]

Re: Energía del punto cero

Yo creo que el concepto de energía del punto cero es más general que la energía del vacío (ese estado con cero partículas), siendo éste último uno de los casos posibles de energías de punto cero. Lo digo más que nada porque yo no tengo ni pajotera de QFT y es un término que ya hemos usado varias veces en clase. Gran parte de los sistemas cuánticos que tienen un espectro discreto de energías comparten que la energía de su estado fundamental no es cero (algo que no pasa en la mecánica clásica). Esta es su energía del punto cero.

Pero bueno, tampoco quiero desviar la discusión sobre qué es o qué no es la energía del punto cero. Simplemente la mecánica cuántica ordinaria basta para dar una explicación de por qué los sistemas no perderían su total movimiento al llegar al 0 K, cosa que a mucha gente le gusta decir.

[Julián]

Re: Energía del punto cero

¿cómo es posible que en un hipotético sistema el cual alcance los 0 K, haya esta energía "básica"?

Pues la temperatura no es energía. Todo surge, de la función distribución de microestados de un sistema. El estado en equilibrio es el que maximiza la función de distribución.

$P = \frac{N!}{{n}_{1}!{n}_{2}!....{n}_{n}!}$ , donde $N$ es el número total de partículas del sistema y ${n}_{n}$, la cantidad de partículas en el estado energético ${n}_{n}$

La distribución de las partículas en los niveles de energía tiene la forma: ${n}_{n} = c {e}^{- \beta {E}_{n}}$ donde ${E}_{n}$ es el nivel energético, ${n}_{n}$ es el número de partículas en ese nivel energético y $\beta = \frac{1}{k T}$.

De esta manera $\beta$, es decir, $\beta(T) = \frac{1}{k T}$, es una medida de lo rápido con que decrece el número de partículas ${n}_{n}$ al aumentar ${E}_{n}$.

Luego pues tenemos las distribuciones considerando los aspectos cuánticos de las partículas, dando la distribución de bose-einstein y de Planck. Que surgen de las consideraciones del colectivo canónico.

Por lo tanto considerar un nivel mínimo de energía, el cual es observado en la naturaleza, no tiene implicancia en las ditribuciones, como se observa en la función de distribución en el enlace de wikipedia que adjuntaste. Donde siempre hay un valor $0.5 hv$ El cual está en todo los niveles energéticos, por las fluctuaciones cuánticas. Es decir, la densidad espectral de energía.

lo que se denomina el vacío en física, no es un vacío "filosófico", sino sólo la ausencia de partículas, pero no del campo)

Si hay partículas, campo y partícula son equivalentes en mecánica cuántica de campos en cuanto a que una partícula es una perturbación del campo. Las partículas, desde un punto de vista de la mecánica cuántica pueden fluctuar en el vacio mientras que siga la relación $\Delta E . \Delta t \geqslant h$. Esto equivale a decir, en mecánica cuántica de campos que siempre existe un valor de un campo en el espacio.

[kasio]

Re: Energía del punto cero

También dice el artículo que esa energía no es extraíble. Eso por qué es? como la energía fluye de un punto con más energía a otra de menor, ¿al ser la energía tan pequeña no es posible sacarla porque cualquier otro punto va a tener más??

[Julián]

Re: Energía del punto cero

También dice el artículo que esa energía no es extraíble. Eso por qué es? como la energía fluye de un punto con más energía a otra de menor, ¿al ser la energía tan pequeña no es posible sacarla porque cualquier otro punto va a tener más??

El único efecto que conozco es el casimir donde se evidencia esto. Por lo que es "extraible" (si por extraible te refieres a observable), quizás otra cosa diferente es utilizarla para propósitos energéticos de consumo humano, es decir, que sea una energía útil.

https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Casimir

https://cuentos-cuanticos.com/2011/1...fecto-casimir/

En cuanto a la utilidad de la energía, lo primero es que es extremadamente pequeña y lo segundo es que al ser solamente atractiva no es posible obtener un flujo constante. Es decir, luego hay que separar las placas y eso conlleva la misma energía que se utilizó para acercarlas pero dado el 2 principio de la termodinámica hubo pérdidas, de manera tal que para separlas hay que gastar más energía que la que pudimos obtener del efecto casimir.