พลังงานลบเป็นแนวคิดที่ใช้ในฟิสิกส์เพื่ออธิบายธรรมชาติของสนาม บางอย่าง รวมถึงสนามโน้มถ่วงและปรากฏการณ์ สนามควอนตัม ต่างๆ

พลังงานโน้มถ่วง หรือพลังงานศักย์โน้มถ่วง คือพลังงานศักย์ที่วัตถุมวลมากมีเนื่องจากอยู่ในสนามโน้มถ่วง ในกลศาสตร์คลาสสิกมวลสองหรือมากกว่านั้นจะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วง เสมอ การอนุรักษ์พลังงานกำหนดให้พลังงานสนามโน้มถ่วงนี้เป็นลบเสมอ ดังนั้นจึงเป็นศูนย์เมื่อวัตถุอยู่ห่างกันอย่างไม่มีที่สิ้นสุด เมื่อวัตถุสองชิ้นเคลื่อนห่างออกจากกันและระยะห่างระหว่างกันเข้าใกล้อนันต์แรงโน้มถ่วงระหว่างกันจะเข้าใกล้ศูนย์จากด้านบวกของเส้นจำนวนจริง และพลังงานศักย์โน้มถ่วงจะเข้าใกล้ศูนย์จากด้านลบ ในทางกลับกัน เมื่อวัตถุมวลมากสองชิ้นเคลื่อนเข้าหากัน การเคลื่อนที่จะเร่งขึ้นภายใต้แรงโน้มถ่วงทำให้พลังงานจลน์ (บวก) ของระบบเพิ่มขึ้น และเพื่ออนุรักษ์ผลรวมของพลังงานทั้งหมด การเพิ่มขึ้นของพลังงานศักย์โน้มถ่วงของวัตถุในปริมาณเท่ากันจะถูกพิจารณาว่าเป็นลบ^{[ 1 ]}

จักรวาลที่พลังงานบวกเป็นส่วนใหญ่ในที่สุดก็จะยุบตัวลงในบิ๊กครันช์ในขณะที่จักรวาลแบบ "เปิด" ที่พลังงานลบเป็นส่วนใหญ่ก็จะขยายตัวไปเรื่อยๆ อย่างไม่มีที่สิ้นสุด หรือในที่สุดก็จะสลายตัวไปในบิ๊กริปใน แบบจำลอง จักรวาลพลังงานศูนย์ ("แบบแบน" หรือ "แบบยุคลิด") ปริมาณพลังงานทั้งหมดในจักรวาลเป็นศูนย์พอดีปริมาณพลังงานบวกในรูปของสสารจะถูกหักล้างด้วยพลังงานลบในรูปของแรงโน้มถ่วง อย่างสมบูรณ์ ^{[ 2 ]}ยังไม่ชัดเจนว่าแบบจำลองใดในแบบจำลองเหล่านี้ที่อธิบายจักรวาลที่แท้จริงได้อย่างถูกต้อง

สำหรับหลุมดำที่หมุนแบบคลาสสิก การหมุนจะสร้างเออร์โกสเฟียร์อยู่นอกขอบฟ้าเหตุการณ์ ซึ่งในเออร์โกสเฟียร์นั้นปริภูมิเวลาเองก็เริ่มหมุนไปด้วย ในปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการลากเฟรม เนื่องจากเออร์โกสเฟียร์อยู่นอกขอบฟ้าเหตุการณ์ อนุภาคจึงสามารถหลุดออกจากมันได้ ภายในเออร์โกสเฟียร์ พลังงานของอนุภาคอาจกลายเป็นลบได้ (ผ่านการหมุนเชิงสัมพัทธภาพของเวกเตอร์คิลลิง ) จากนั้นอนุภาคพลังงานลบจะข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์เข้าไปในหลุมดำ โดยกฎการอนุรักษ์พลังงานกำหนดให้พลังงานบวกในปริมาณที่เท่ากันควรหลุดออกไปด้วย

ในกระบวนการเพนโรสวัตถุจะแบ่งออกเป็นสองส่วน โดยครึ่งหนึ่งได้รับพลังงานลบและตกลงไป ในขณะที่อีกครึ่งหนึ่งได้รับพลังงานบวกในปริมาณเท่ากันและหลุดออกไป กลไกนี้ถูกเสนอให้เป็นกลไกที่ทำให้เกิด การแผ่รังสีที่รุนแรงซึ่งปล่อยออกมาจาก ควาซาร์^{[ 3 ]}

พลังงานลบและความหนาแน่นของพลังงานลบสอดคล้องกับทฤษฎีสนามควอนตัม^{[ 4 ]}

ในทฤษฎีควอนตัมหลักการความไม่แน่นอนทำให้สุญญากาศในอวกาศสามารถเต็มไปด้วย คู่ของอนุภาค เสมือนและปฏิอนุภาคเสมือน ซึ่งปรากฏขึ้นเองโดยธรรมชาติและดำรงอยู่เพียงช่วงเวลาสั้นๆ ก่อนที่จะทำลายล้างกันเองโดยทั่วไป อนุภาคเสมือนเหล่านี้บางส่วนอาจมีพลังงานเป็นลบ พฤติกรรมนี้มีบทบาทในปรากฏการณ์สำคัญหลายอย่าง ดังที่อธิบายไว้ด้านล่าง

ในปรากฏการณ์แคสิเมียร์ แผ่นเรียบสองแผ่นที่วางอยู่ใกล้กันมากจะจำกัดความยาวคลื่นของควอนตัมที่สามารถมีอยู่ระหว่างแผ่นทั้งสองได้ ซึ่งจะจำกัดชนิดและจำนวนและความหนาแน่นของ คู่ของ อนุภาคเสมือนที่สามารถก่อตัวขึ้นในสุญญากาศระหว่างแผ่นทั้งสอง และอาจส่งผลให้เกิดความหนาแน่นของพลังงานเป็นลบ เนื่องจากข้อจำกัดนี้ไม่มีอยู่หรือมีนัยสำคัญน้อยกว่ามากที่ด้านตรงข้ามของแผ่น แรงภายนอกแผ่นจึงมากกว่าแรงระหว่างแผ่น ทำให้แผ่นทั้งสองดูเหมือนจะดึงกัน ซึ่งได้มีการวัดแล้ว กล่าวคือ พลังงานสุญญากาศที่เกิดจากคู่ของอนุภาคเสมือนกำลังผลักแผ่นทั้งสองเข้าหากัน และพลังงานสุญญากาศระหว่างแผ่นมีขนาดเล็กเกินไปที่จะหักล้างผลกระทบนี้ได้ เนื่องจากมีอนุภาคเสมือนน้อยกว่าต่อหน่วยปริมาตรระหว่างแผ่นเมื่อเทียบกับอนุภาคเสมือนที่อยู่ภายนอกแผ่น^{[ 5 ]}

เป็นไปได้ที่จะจัดเรียงลำแสงเลเซอร์หลายลำเพื่อให้การรบกวนควอนตัม แบบทำลายล้าง ยับยั้งความผันผวนของสุญญากาศสถานะสุญญากาศบีบอัดดังกล่าวเกี่ยวข้องกับพลังงานลบ รูปคลื่นแสงที่ซ้ำกันนำไปสู่บริเวณพลังงานบวกและลบสลับกัน^{[ 5 ]}

ตามทฤษฎีทะเลของ Diracซึ่งพัฒนาโดยPaul Diracในปี 1930 สุญญากาศในอวกาศเต็มไปด้วยพลังงานลบ ทฤษฎีนี้ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่ออธิบายความผิดปกติของสถานะควอนตัม พลังงานลบ ที่ทำนายโดยสมการ Diracหนึ่งปีต่อมา หลังจากงานของWeylแนวคิดพลังงานลบก็ถูกละทิ้งและแทนที่ด้วยทฤษฎีปฏิสสาร [ ^{6 ] : 9} ปีต่อมาในปี 1932 Carl Andersonได้ค้นพบ โพซิตรอน

สนามแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงรอบหลุมดำก่อให้เกิดปรากฏการณ์ต่างๆ ซึ่งเป็นผลมาจากทั้งแรงโน้มถ่วงและผลกระทบทางควอนตัม ในสถานการณ์เหล่านี้เวกเตอร์ Killing ของอนุภาค อาจหมุนไปจนพลังงานกลายเป็นลบ^{[ 7 ]}

อนุภาคเสมือนสามารถคงอยู่ได้ในช่วงเวลาสั้นๆ เมื่ออนุภาคเสมือนคู่หนึ่งปรากฏขึ้นข้างขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ อนุภาคหนึ่งอาจถูกดึงเข้าไป ซึ่งจะทำให้เวกเตอร์ Killing ของมันหมุนไป จนพลังงานกลายเป็นลบ และอนุภาคคู่นั้นจะไม่มีพลังงานสุทธิ ทำให้พวกมันกลายเป็นของจริง และอนุภาคที่มีพลังงานบวกจะหลุดออกไปในรูปของรังสี Hawkingในขณะที่อนุภาคที่มีพลังงานลบจะลดพลังงานสุทธิของหลุมดำ ดังนั้น หลุมดำจึงอาจระเหยไปอย่างช้าๆ^{[ 8 ] [ 9 ]}

พลังงานลบปรากฏในทฤษฎีเชิงคาดการณ์ของรูหนอนซึ่งจำเป็นต้องใช้เพื่อรักษารูหนอนให้เปิดอยู่ รูหนอนเชื่อมต่อสถานที่สองแห่งโดยตรงซึ่งอาจแยกจากกันในระยะทางไกลเท่าใดก็ได้ทั้งในอวกาศและเวลา และโดยหลักการแล้วจะช่วยให้สามารถเดินทางระหว่างสถานที่ทั้งสองได้เกือบจะในทันที อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์เช่นRoger Penroseมองว่าแนวคิดดังกล่าวไม่สมจริง เป็นเพียงนิยายมากกว่าการคาดการณ์^{[ 10 ]}

มีการเสนอหลักการทางทฤษฎีสำหรับ ระบบขับเคลื่อนวาร์ป ที่เร็วกว่าแสง (FTL) สำหรับยานอวกาศ โดยใช้พลังงานลบ ระบบขับเคลื่อน Alcubierre นั้น มีพื้นฐานมาจากคำตอบของสมการสนามของไอน์สไตน์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปซึ่งมีการสร้าง "ฟอง" ของกาลอวกาศโดยใช้พลังงานลบสมมุติ จากนั้นฟองจะเคลื่อนที่โดยการขยายพื้นที่ด้านหลังและหดตัวพื้นที่ด้านหน้า ฟองอาจเคลื่อนที่ด้วยความเร็วตามอำเภอใจและไม่ถูกจำกัดด้วยความเร็วแสง ซึ่งไม่ขัดแย้งกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เนื่องจากเนื้อหาของฟองไม่ได้เคลื่อนที่ผ่านกาลอวกาศเฉพาะที่ของมันจริง ๆ^{[ 5 ]}

การศึกษาเชิงทฤษฎีเชิงคาดการณ์ได้ชี้ให้เห็นว่าอนุภาคที่มีพลังงานลบนั้นสอดคล้องกับทฤษฎีควอนตัมเชิงสัมพัทธภาพ โดยบางงานวิจัยได้สังเกตความสัมพันธ์ระหว่างมวลลบและ/หรือการย้อนกลับของเวลา^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

• ปฏิสสาร
• พลังงานมืด
• สสารมืด
• มวลลบ
• แรงดันลบ