miniatura|L'heli líquid reté l'energia cinètica i no es congela independentment de la temperatura a causa de lenergia del punt zero. Quan es refreda per sota del seu punt lambda, presenta propietats de superfluïtat Lenergia del punt zero és l'energia més baixa possible que pot tenir un sistema mecànic quàntic. A diferència de la mecànica clàssica, els sistemes quàntics fluctuen constantment en el seu estat d'energia més baix, tal com es descriu pel principi d'incertesa de Heisenberg. A més dels àtoms i les molècules, l'espai buit té aquestes propietats. Segons la teoria quàntica de camps, l'univers es pot pensar no com a partícules aïllades sinó com a camps fluctuants continus: camps de matèria, els quanta dels quals són fermions (és a dir, leptons i quarks), i camps de força, els quanta dels quals són bosons (per exemple, fotons i gluons). Tots aquests camps tenen energia del punt zero. Aquests camps fluctuants del punt zero condueixen a una mena de reintroducció d'un èter a la física, ja que alguns sistemes poden detectar l'existència d'aquesta energia; tanmateix, aquest èter no es pot considerar com un mitjà físic si vol ser invariància de Lorentz de manera que no hi hagi contradicció amb la teoria de la relativitat especial d'Einstein.
Actualment, la física no té un model teòric complet per entendre l'energia del punt zero; en particular, la discrepància entre l'energia del buit teoritzada i l'observada és una font de gran controvèrsia. Els físics Richard Feynman i John Wheeler van calcular que la radiació del punt zero del buit era un ordre de magnitud superior a l'energia nuclear, amb una sola bombeta que contenia prou energia per bullir tots els oceans del món. Tanmateix, segons la teoria de la relativitat general d'Einstein, qualsevol energia d'aquest tipus gravitaria i l'evidència experimental de l'expansió de l'univers, l'energia fosca i l'efecte Casimir mostra que aquesta energia és excepcionalment feble. Una proposta popular que intenta abordar aquest problema, és dir que el camp fermiònic té una energia negativa del punt zero, mentre que el camp bosònic té energia positiva del punt zero i, per tant, aquestes energies d'alguna manera es cancel·len. Aquesta idea seria certa si la supersimetria fos una simetria de la natura exacta; tanmateix, el LHC del CERN no ha trobat fins ara cap prova que ho avali. A més, se sap que si la supersimetria és vàlida, és com a màxim una simetria trencada, només a les energies molt altes, i actualment ningú no ha estat capaç de mostrar una teoria on es produeixin cancel·lacions de baixa energia del punt zero en l'univers observable. Aquesta discrepància es coneix com el problema de la constant cosmològica i és un dels majors misteris no resolts de la física. Molts físics creuen que «el buit és la clau per a una comprensió completa de la natura».
Etimologia i terminologia El terme energia del punt zero (EPZ) és una traducció de l'alemany Nullpunktsenergie. De vegades, s'utilitzen indistintament amb el els termes radiació del punt zero i energia de l'estat fonamental. El terme camp del punt zero es pot utilitzar quan es refereix a un camp de buit específic, per exemple, el buit electrodinàmic quàntic (buit EDQ) que es tracta específicament en l'electrodinàmica quàntica (per exemple, les interaccions electromagnètiques entre fotons, electrons i el buit) o el buit cromodinàmic quàntic (buit CDQ) que es tracta en la cromodinàmica quàntica (per exemple, interaccions de càrrega de color entre quarks, gluons i el buit). El buit es pot veure no com a espai buit, sinó com la combinació de tots els camps del punt zero. En la teoria quàntica de camps aquesta combinació de camps s'anomena buit quàntic, la seva energia del punt zero associada s'anomena energia del buit, i el valor energètic mitjà s'anomena valor d'expectació del buit (VEB) també anomenat condensat.
Visió general En la mecànica clàssica es pot considerar que totes les partícules tenen una certa energia formada per la seva energia potencial i energia cinètica. La temperatura, per exemple, sorgeix de la intensitat del moviment aleatori de partícules causat per l'energia cinètica (conegut com a moviment brownià). A mesura que la temperatura es redueix a zero absolut, es podria pensar que tot moviment es deté i les partícules descansen completament. De fet, però, l'energia cinètica és retinguda per partícules fins i tot a la temperatura més baixa possible. El moviment aleatori corresponent a aquesta energia del punt zero mai s'esvaeix com a conseqüència del principi d'incertesa de la mecànica quàntica.
El principi d'incertesa estableix que cap objecte mai pot tenir valors precisos de posició i velocitat simultàniament. L'energia total d'un objecte mecànic quàntic (potencial i cinètic) és descrita pel seu hamiltonià que també descriu el sistema com un oscil·lador harmònic, o funció d'ona, que fluctua entre diversos estats d'energia (vegeu la dualitat ona-partícula). Tots els sistemes mecànics quàntics experimenten fluctuacions fins i tot en el seu estat fonamental, conseqüència de la seva naturalesa semblant a l'ona. El principi d'incertesa requereix que cada sistema mecànic quàntic tingui una energia del punt zero fluctuant superior al mínim del seu pou de potencial clàssic. Això resulta en moviment fins i tot a zero absolut. Per exemple, l'heli líquid no es congela sota la pressió atmosfèrica independentment de la temperatura a causa de la seva energia del punt zero.
Donada l'equivalència de massa i energia expressada per E = mc² d'Albert Einstein, es pot considerar que qualsevol punt de l'espai que conté energia té massa per crear partícules. Les partícules virtuals apareixen espontàniament a cada punt de l'espai a causa de l'energia de les fluctuacions quàntiques causades pel principi d'incertesa. La física moderna ha desenvolupat la teoria quàntica de camps (TQC) per entendre les interaccions fonamentals entre la matèria i les forces, tracta tots els punts de l'espai com un oscil·lador harmònic quàntic. Segons la TQC, l'univers està format per camps de matèria, els quanta dels quals són fermions (és a dir, leptons i quarks), i camps de força, els quanta dels quals són bosons (per exemple, fotons i gluons). Tots aquests camps tenen energia del punt zero. Experiments recents defensen la idea que les mateixes partícules es poden considerar estats excitats del buit quàntic subjacent i que totes les propietats de la matèria són merament fluctuacions de buit derivades de les interaccions del camp del punt zero.
La idea que l'espai «buit» pot tenir associada una energia intrínseca i que no existeix un «veritable buit» és aparentment poc intuitiva. Sovint s'argumenta que l'univers sencer està completament banyat per la radiació del punt zero i, per tant, només pot afegir una quantitat constant als càlculs. Per tant, les mesures físiques revelaran només desviacions d'aquest valor. Per a molts càlculs pràctics, l'energia del punt zero és descartada en el model matemàtic com un terme que no té cap efecte físic. Tanmateix, aquest tractament causa problemes, ja que a la teoria de la relativitat general d'Einstein el valor energètic absolut de l'espai no és una constant arbitrària i dona lloc a la constant cosmològica. Durant dècades, la majoria dels físics van suposar que hi havia algun principi fonamental encara no descobert que eliminaria l'energia infinita del punt zero i la faria desaparèixer completament. Si el buit no té un valor d'energia intrínsec i absolut, no gravitarà. Es creia que a mesura que l'univers s'expandeix a partir de les conseqüències del big-bang, l'energia continguda en qualsevol unitat d'espai buit disminuirà a mesura que l'energia total s'estengui per omplir el volum de l'univers; les galàxies i tota la matèria de l'univers haurien de començar a desaccelerar-se. Aquesta possibilitat va ser descartada el 1998 pel descobriment que l'expansió de l'univers no s'està ralentint, sinó que de fet s'està accelerant, cosa que significa que l'espai buit té certa energia intrínseca. El descobriment de l'energia fosca s'explica millor mitjançant l'energia del punt zero, tot i que continua sent un misteri de per què el valor sembla ser tan petit en comparació amb l'enorme valor obtingut a través de la teoria, el problema de la constant cosmològica.
S'han comprovat experimentalment molts efectes físics atribuïts a l'energia del punt zero, com ara l'emissió espontània, la força de Casimir, el desplaçament de Lamb, el moment magnètic de l'electró i la dispersió de Delbrück. Aquests efectes se solen anomenar «correccions radiatives». En teories no lineals més complexes (per exemple, CDQ), l'energia del punt zero pot donar lloc a una varietat de fenòmens complexos, com ara múltiples estats estables, trencament de simetria, caos i emergència. Molts físics creuen que «el buit és la clau per a una comprensió completa de la natura» i que estudiar-la és fonamental en la recerca de la teoria de tot. Les àrees de recerca actives inclouen els efectes de les partícules virtuals, l'entrellaçament quàntic, la diferència (si n’hi ha) entre la massa inercial i la gravitatòria, la variació de la velocitat de la llum, un motiu del valor observat de la constant cosmològica i la naturalesa de l'energia fosca.
Història Primeres teories de l'èter miniatura|James Clerk Maxwell L'energia del punt zero va evolucionar a partir d'idees històriques sobre el buit. Per a Aristòtil, el buit era , «el buit»; és a dir, l'espai independent del cos. Es creia que aquest concepte violava els principis físics bàsics i afirmava que els elements del foc, l'aire, la terra i l'aigua no estaven fets d'àtoms, sinó que eren continus. Per als atomistes, el concepte de buit tenia un caràcter absolut: era la distinció entre existència i no-existència. El debat sobre les característiques del buit es va limitar en gran part a l'àmbit de la filosofia, però no va ser fins molt més tard amb el començament del renaixement, que Otto von Guericke va inventar la primera bomba de buit i van començar a sorgir les primeres idees científiques comprovables. Es va pensar que es podria crear un volum d'espai totalment buit simplement eliminant tots els gasos. Aquest va ser el primer concepte generalment acceptat del buit.
Però a finals del , es va fer evident que la regió evacuada encara contenia radiació tèrmica. L'existència de l'èter com a substitut d'un veritable buit era la teoria més freqüent de l'època. Segons la reeixida teoria de l'eter electromagnètic basada en l'electrodinàmica de Maxwell, aquest èter que tot ho engloba estava dotat d'energia i, per tant, molt diferent del no-res. El fet que els fenòmens electromagnètics i gravitacionals es transmetessin fàcilment a l'espai buit va indicar que els seus eters associats formaven part del teixit de l'espai. El mateix Maxwell va assenyalar que:
No obstant això, els resultats de l'experiment de Michelson-Morley el 1887 van ser les primeres proves fortes que les teories de l'èter, que llavors eren prevalents, eren greument defectuoses i van iniciar una línia d'investigació que finalment va conduir a la relativitat especial, que va descartar la idea d'un èter estacionari en conjunt. Per als científics de l'època, semblava que un veritable buit a l'espai podia ser completament eliminat mitjançant el refredament, eliminant així tota radiació o energia. A partir d'aquesta idea va evolucionar el segon concepte d'aconseguir un buit real: refredar-lo fins a la temperatura del zero absolut després de l'evacuació. El zero absolut era tècnicament impossible d'aconseguir al , de manera que el debat va continuar sense resoldre’s.
La segona teoria quàntica El 1900, Max Planck va derivar l'energia mitjana d'un radiador d'energia únic, per exemple, una unitat atòmica vibrant, en funció de la temperatura absoluta: