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Text File  |  1994-06-10  |  21.3 KB  |  434 lines

  1.  
  2.  
  3.             (word processor parameters LM=1, RM=70, TM=2, BM=2)
  4.  
  5.                   Taken from KeelyNet BBS (214) 324-3501
  6.                        Sponsored by Vangard Sciences
  7.                                 PO BOX 1031
  8.                             Mesquite, TX 75150
  9.  
  10.                               April 10, 1990
  11.  
  12.              This paper was written and courteously shared by
  13.                          Dr. H. E. Puthoff of the
  14.                       Institute for Advanced Studies,
  15.                1301 Capital Of Texas Highway S., Suite B 121
  16.                           Austin, Texas 78746
  17.                               (512) 328-5751
  18.  
  19.                    Quantum Fluctuations of Empty Space :
  20.                       A New Rosetta Stone of Physics?
  21.  
  22.     In a recent  article  in the popular press (The Economist, January
  23.     7, 1989, pp. 71-74) it was noted  how  many  of this century's new
  24.     technologies depend on the Alice-in-Wonderland physics  of quantum
  25.     mechanics, with all of its seeming absurdities.
  26.  
  27.     For starters, one  begins  with  the  observation  that  classical
  28.     physics tells us that atoms, which  can  be likened to a miniature
  29.     solar system with electron planets orbiting a nuclear  sun, should
  30.     not exist.
  31.  
  32.     The circling electrons  should  radiate  away  their  energy  like
  33.     microscopic radio antennas and spiral into the nucleus.  But atoms
  34.     do exist, and multitudinous other  phenomena  which don't obey the
  35.     rules do occur.
  36.  
  37.     To resolve this cognitive dissonance physicists introduced quantum
  38.     mechanics, which is  essentially  a set of mathematical  rules  to
  39.     describe what in  fact  does  happen.   But  when  we  re-ask  the
  40.     question, "why didn't the electron  radiate  away its energy?" the
  41.     answer is, basically, "well, in quantum theory it doesn't."
  42.  
  43.     It's at this  point that not only the layman but  some  physicists
  44.     can begin to  feel  that  someone's  not playing fair.  I say only
  45.     some physicists because the majority  of  working  physicists  are
  46.     content simply to use quantum rules that work, that  describe  (if
  47.     only statistically) what  will  happen in a given experiment under
  48.     certain conditions.
  49.  
  50.     These are the   so-called  "logical   positivists"   who,   in   a
  51.     philosophical sense, are  like  the  news  reporter   whose   only
  52.     interest is the bottom line.
  53.  
  54.     There are nevertheless  individuals  here and there who still want
  55.     to know why the electron didn't radiate,  why Einstein's equations
  56.     are in this form and not another, where does the  ubiquitous zero-
  57.     point energy that  fills  even  empty space come from, why quantum
  58.     theory, and perhaps the biggest  question  of  all,  how  did  the
  59.     universe get started anyway?
  60.  
  61.  
  62.                                   Page 1
  63.     Surprisingly enough, there  may  be  answers  to  these  seemingly
  64.     unanswerable meta-level questions.   Perhaps even more surprising,
  65.     they seem to  be  emerging, as a recent book title  put  it,  from
  66.     "Something called Nothing"  (1), or to put it more correctly, from
  67.     empty space, the vacuum, the void.
  68.  
  69.     To comprehend the significance of  this statement, we will have to
  70.     take a detour  into  the  phenomenon  of fluctuations  with  which
  71.     quantum theory abounds,  including  the fluctuations of empy space
  72.     itself.
  73.  
  74.     Before the advent  of  quantum theory,  physics  taught  that  any
  75.     simple oscillator such   as  a  pendulum,  when   excited,   would
  76.     eventually come to  rest  if  not  continuously  energized by some
  77.     outside force such  as a spring.   This  is  because  of  friction
  78.     losses in the system.
  79.  
  80.     After it was recognized that quantum theory was  a  more  accurate
  81.     representation of nature,  one  of  the findings of quantum theory
  82.     was that such an oscillator would  in  fact not come to total rest
  83.     but rather would continue to "jiggle" randomly about  its  resting
  84.     point with a  small amount of energy always present, the so-called
  85.     "zero-point energy."
  86.  
  87.     Although it may not be observable  to  the eye on your grandfather
  88.     clock because it is so minute, it is nonetheless very real, and in
  89.     many physical systems has important consequences.
  90.  
  91.     One example is the presence of a certain amount  of  "noise"  in a
  92.     microwave receiver that  can never be gotten rid of, no matter how
  93.     perfect the technology.  This is  an  example which shows that not
  94.     only physical devices  such  as  pendulums have this  property  of
  95.     incessant fluctuation, but  also  fields,  such as electromagnetic
  96.     fields (radio waves, microwaves, light, X-rays, etc.).
  97.  
  98.     As it turns  out,  even  though   the  zero-point  energy  in  any
  99.     particular mode of an electromagnetic field is minute,  there  are
  100.     so many possible modes of propagation (frequencies, directions) in
  101.     open space, the  zero-point  energy  summed  up  over all possible
  102.     modes is quite  enormous;  in fact,  greater  than,  for  example,
  103.     nuclear energy densities.   And  this in all of so-called  "empty"
  104.     space around us.   Let  us  concentrate  on  the  effects  of such
  105.     electromagnetic zero-point fluctuations.
  106.  
  107.     With such large  values,  it  might   seem  that  the  effects  of
  108.     electromagnetic zero-point energy  should  be quite  obvious,  but
  109.     this is not the case because of its extremely uniform density.
  110.  
  111.     Just as a  vase  standing  in  a  room  is not likely to fall over
  112.     spontaneously, so a  vase bombarded  uniformly  on  all  sides  by
  113.     millions of ping pong balls would not do likewise  because  of the
  114.     balanced conditions of the uniform bombardment.
  115.  
  116.     The only evidence  of  such  a barrage might be minute jiggling of
  117.     the vase, and similar mechanisms are thought to be involved in the
  118.     quantum jiggle of zero-point motion.
  119.  
  120.     However, there are certain conditions  in  which the uniformity of
  121.     the background electromagnetic  zero-point  energy   is   slightly
  122.     disturbed and leads to physical effects.
  123.  
  124.                                   Page 2
  125.     One is the  slight perturbation of the lines seen from transitions
  126.     between atomic states known as the Lamb Shift (2), named after its
  127.     discoverer, Willis Lamb.
  128.  
  129.     Another, also named for its discoverer,  is  the Casimir Effect, a
  130.     unique attractive quantum   force  between  closely-spaced   metal
  131.     plates.
  132.  
  133.     An elegant analysis  by  Milonni  et.  al. at Los Angeles National
  134.     Laboratory (3) shows the Casimir  force  to  be  due  to radiation
  135.     pressure from the  background  electromagnetic  zero-point  energy
  136.     which has become unbalanced due to the presence of the plates, and
  137.     which results in the plates being pushed together.
  138.  
  139.     From this it  would  seem  that  it  might  be possible to extract
  140.     electrical energy from the vacuum,  and  indeed the possibility of
  141.     doing so (at least in principle) has been shown in a paper of that
  142.     same name by Robert Forward (4) at Hughes Research Laboratories in
  143.     Malibu, California.
  144.  
  145.     What does this have to do with our basic questions?   Let's  start
  146.     with the question  as  top  why  the electron in a simple hydrogen
  147.     atom doesn't radiate as it circles the proton in its stable ground
  148.     state atomic orbit.
  149.  
  150.     This issue has been re-addressed  in a recent paper by the author,
  151.     this time taking into account what has been learned over the years
  152.     about the effects  of zero-point energy. (5)  There  it  is  shown
  153.     that the electron  can  be  seen as continually radiating away its
  154.     energy as predicted  by  classical   theory,   but  simultaneously
  155.     absorbing a compensating  amount  of energy from the  ever-present
  156.     sea of zero-point  energy  in  which the atomm is immersed, and an
  157.     assumed equilibrium between  these  two  processes  leads  to  the
  158.     correct values for the parameters known to define the ground-state
  159.     orbit.
  160.  
  161.     Thus the ground-state  orbit  is set by a dynamic  equilibrium  in
  162.     which collapse of  the  state  is prevented by the presence of the
  163.     zero-point energy.  The significance  of  this observation is that
  164.     the very stability  of  matter  itself appears to  depend  on  the
  165.     presence of the   underlying  sea  of  electromagnetic  zero-point
  166.     energy.
  167.  
  168.     With regard to the gravitational  attraction  that is described so
  169.     well by Einstein's  theory, its fundamental nature  is  still  not
  170.     well understood.  Whether  addressed  simply  in terms of Newton's
  171.     Law, or with the full rigor of general  relativity,  gravitational
  172.     theory is basically descriptive in nature, without  revealing  the
  173.     underlying dynamics for that description.
  174.  
  175.     As a result,  attempts  to  unify  gravity  with  the other forces
  176.     (electromagnetic, strong and weak  nuclear forces) or to develop a
  177.     quantum theory of  gravity  have  foundered  again  and  again  on
  178.     difficulties that can be traced back to a lack of understanding at
  179.     a fundamental level.
  180.  
  181.     To rectify these   difficulties,   theorists  by  and  large  have
  182.     resorted to ever-increasing levels  of mathematical sophistication
  183.     and abstraction, as in the recent development of  supergravity and
  184.     superstring theories.
  185.  
  186.                                   Page 3
  187.     Taking a completely   different   tack   when   addressing   these
  188.     difficulties in the  sixties,  the  well-known  Russian  physicist
  189.     Andrei Sakharov put forward the somewhat radical  hypothesis  that
  190.     gravitation might not  be  a  fundamental  interaction at all, but
  191.     rather a secondary or residual effect  associated with other (non-
  192.     gravitational) fields. (6)
  193.  
  194.     Specifically, Sakharov suggested that gravity might  be an induced
  195.     effect brought about  by  changes  in the zero-point energy of the
  196.     vacuum, due to the presence of matter.
  197.  
  198.     If correct, gravity would then be understood as a variation on the
  199.     Casimir theme, in  which  background  zero-point-energy  pressures
  200.     were again responsible.
  201.  
  202.     Although Sakharov did not develop the concept much further, he did
  203.     outline certain criteria such a theory would have  to meet such as
  204.     predicting the value  of  the gravitational constant G in terms of
  205.     zero-point-energy parameters.
  206.  
  207.     The approach to gravity outlined  by  Sakharov  has  recently been
  208.     addressed in detail,  and  with  positive  reults,  again  by  the
  209.     author. (7)
  210.  
  211.     The gravitational interaction is shown to begin with the fact that
  212.     a particle situated  in  the  sea  of  electromagnetic  zero-point
  213.     fluctuations develops a "jitter"  motion,  or ZITTERBEWEGUNG as it
  214.     is called.
  215.  
  216.     When there are two or more particles they are each  influenced not
  217.     only by the  fluctuating  background field, but also by the fields
  218.     generated by the  other  particles,   all   similarly   undergoing
  219.     ZITTERBEWEGUNG motion, and  the  inter-particle  coupling  due  to
  220.     these fields results in the attractive gravitational force.
  221.  
  222.     Gravity can thus  be  understood  as  a kind of long-range Casimir
  223.     force.  Because of its electromagnetic  unerpinning, gravitational
  224.     theory in this form constitutes what is known in the literature as
  225.     an "already-unified" theory.
  226.  
  227.     The major benefit of the new approach is that it  provides a basis
  228.     for understanding various  characteristics  of  the  gravitational
  229.     interaction hitherto unexplained.
  230.  
  231.     These include the relative weakness  of  the  gravitational  force
  232.     under ordinary circumstances (shown to be due to the fact that the
  233.     coupling constant G depends inversely on the large  value  of  the
  234.     high-frequency cutoff of the zero-point-fluctuation spectrum); the
  235.     existence of positive  but  not  negative  mass  (traceable  to  a
  236.     positive-only kinetic-energy basis  for  the  mass parameter); and
  237.     the fact that  gravity  cannot be shielded (a consequence  of  the
  238.     fact that quantum zero-point-fluctuation "noise" in general cannot
  239.     be shielded, a  factor  which in other contexts sets a lower limit
  240.     on the detectability of electromagnetic signals).
  241.  
  242.     As to where the ubiquitous electromagnetic zero-point energy comes
  243.     from, historically there  have   been   two  schools  of  thought:
  244.     existence by fiat  as  part  of  the  boundary conditions  of  the
  245.     universe, or generation  by  the  (quantum-fluctuation)  motion of
  246.     charged particles that constitute matter.
  247.  
  248.                                   Page 4
  249.     A straightforward calculation   of   the  latter  possibility  has
  250.     recently been carried out by the author. (8)
  251.  
  252.     It was assumed that zero-point fields  drive  particle motion, and
  253.     that the sum of particle motions throughout the universe  in  turn
  254.     generate the zero-point fields, in the form of a self-regenerating
  255.     cosmological feedback cycle not unlike a cat chasing its own tail.
  256.  
  257.     This self-constistent approach  yielded the known zero-point field
  258.     distribution, thus indicating a dynamic-generation process for the
  259.     zero-point fields.
  260.  
  261.     Now as to the question of why quantum  theory.  Although knowledge
  262.     of zero-point fields emerged from quantum physics  as that subject
  263.     matured, Professor Timothy  Boyer at City College in New York took
  264.     a contrary view.
  265.  
  266.     He bagan asking in the late sixties  what  would happen if we took
  267.     classical physics as it was and introduced a background of random,
  268.     classical fluctuating fields    of    the   zero-point    spectral
  269.     distribution type.  Could  such  an  all-classical model reproduce
  270.     quantum theory in its entirety,  and  might  this possibility have
  271.     been overlooked by  the founders of quantum theory  who  were  not
  272.     aware of the existence of such a fluctuating background field?
  273.  
  274.     (First, it is  clear  from  the  previously-mentioned cosmological
  275.     calculation that such a field distribution  would reproduce itself
  276.     on a continuing dynamic basis.)
  277.  
  278.     Boyer began by tackling the problems that led to  the introduction
  279.     of quantum theory  in  the  first  place,  such  as  the blackbody
  280.     radiation curve and the photoelectric  effect.   One  by  one  the
  281.     known quantum results were reproduced by this upstart neoclassical
  282.     approach, now generally referred to as Stochastic  Electrodynamics
  283.     (SED) (9), as contrasted to quantum electrodynamics (QED).
  284.  
  285.     Indeed, Milonni at  Los Alamos noted in a review of the Boyer work
  286.     that had physicists in 1900 thought  of  taking  this  route, they
  287.     would probably have  been  more  comfortable with  this  classical
  288.     approach than with Planck's hypothesis of the quantum, and one can
  289.     only speculate as  to  the direction that physics would have taken
  290.     then.
  291.  
  292.     The list of   topics  successfully   analyzed   within   the   SED
  293.     formulation (i.e., yielding  precise quantitative  agreement  with
  294.     QED treatments) has  now  been  extended  to  include the harmonic
  295.     oscillator, Casimir and  Van der  Waals  forces  and  the  thermal
  296.     effects of acceleration through the vacuum, to name a few.
  297.  
  298.     Out of this  work  emerged the reasons for such phenomena  as  the
  299.     uncertainty principle, the   incessant   fluctuation  of  particle
  300.     motion, the existence  of  Van  der  Waals  forces  even  at  zero
  301.     temperature, and so forth, all shown to be due to the influence of
  302.     the unceasing activity of the random background fields.
  303.  
  304.     There are also some notable failures in SED, such  as  transparent
  305.     derivation of something as simple as Schrodinger's equation, which
  306.     turns out as yet to be an intractable problem.
  307.  
  308.     Therefore, it is unlikely that quantum theory as we have come to
  309.  
  310.                                   Page 5
  311.     know it and  love  it  will  be entirely replaced by a refurbished
  312.     classical theory in the near future.
  313.  
  314.     Nonetheless, the successes to date  of  the  SED  approach, by its
  315.     highlighting of  the  role  of background zero-point-fluctuations,
  316.     means that when  the  final  chapter is written on quantum theory,
  317.     field fluctuations in empty space  will  be  accorded  an  honored
  318.     position.
  319.  
  320.     And now to the preeminent question of all, where  did the Universe
  321.     come from?  Or,  in modern terminology, what started the Big Bang?
  322.     Could quantum fluctuations of empty  space  have  something  to do
  323.     with this also?
  324.  
  325.     Well, Prof. Edward Tryon of Hunter College of the  City University
  326.     of New York  thought so when he proposed in 1973 that our Universe
  327.     may have originated as a fluctuation  of  the  vacuum  on  a large
  328.     scale, as "simply one of those things which happen  from  time  to
  329.     time." (10)
  330.  
  331.     This idea was  later  refined  and  updated  within the context of
  332.     inflationary cosmology by Alexander  Vilenkin of Tufts University,
  333.     who proposed that  the  universe  is created by quantum  tunneling
  334.     from literally nothing  into  the  something we call our universe.
  335.     (11)
  336.  
  337.     Although highly speculative, these  types  of models indicate once
  338.     again that physicists find themselves turning again  and  again to
  339.     the Void (and the fluctuations thereof) for their answers.
  340.  
  341.     Those with a  practical bent of mind may be left with yet one more
  342.     unanswered question.  Can this emerging  Rosetta  Stone of physics
  343.     be used to translate such lofty insights into mundane application?
  344.  
  345.     Could the engineer   of   the   future   specialize   in   "vacuum
  346.     engineering?"  Could the energy crisis be solved by harnessing the
  347.     energies of the zero-point sea?
  348.  
  349.     After all, since the basic zero-point energy form is highly random
  350.     in nature, and  tending  towards self-cancellation, if a way could
  351.     be found to bring order out of chaos,  the,  because of the highly
  352.     energetic nature of  the  vacuum  fluctuations,  relatively  large
  353.     effects could in principle be produced.
  354.  
  355.     Given our relative ignorance at this point, we must fall back on a
  356.     quote given by Podolny (12) when contemplating this same issue.
  357.  
  358.     "It would be  just  as  presumptuous  to  deny  the feasibility of
  359.     useful application as it would be  irresponsible to guarantee such
  360.     application."
  361.  
  362.     Only the future can reveal the ultimate use to which  Mankind will
  363.     put this remaining  Fire  of the Gods, the quantum fluctuations of
  364.     empty space.
  365.  
  366.  
  367.  
  368.  
  369.  
  370.  
  371.  
  372.                                   Page 6
  373.  
  374.  
  375.                                 REFERENCES
  376.  
  377.      1.  R.  Podolny,  "Something  Called Nothing" (Mir Publ., Moscow,
  378.                       1986)
  379.  
  380.      2.  W. E. Lamb, Jr., and R. C. Retherford, "Fine Structure of the
  381.                       Hydrogen Atom by a Microwave Method," Phys. Rev.
  382.                       72, 241 (1947)
  383.  
  384.      3.  P.  W.  Milonni, R. J. Cook  and  M.  E.  Goggin,  "Radiation
  385.                       Pressure from    the    Vacuum     :    Physical
  386.                       Interpretation of the Casimir Force," Phys. Rev.
  387.                       A 38, 1621 (1988)
  388.  
  389.      4.  R.  L. Forward, "Extracting Electrical Energy from the Vacuum
  390.                       by Cohesion  of  Charged  Foliated  Conductors,"
  391.                       Phys.  Rev.  B 30, 1700 (1984)
  392.  
  393.      5.  H.  E.  Puthoff, "Ground State of Hydrogen  as  a  Zero-Point
  394.                       Fluctuation-Determined State,"  Phys. Rev. D 35,
  395.                       3266 (1987)
  396.          See also science news article, "Why Atoms Don't Collapse," in
  397.                       New Scientist, p. 26 (9 July 1987)
  398.  
  399.      6.  A. D. Sakharov, "Vacuum Quantum  Fluctuations in Curved Space
  400.                       and the Theory of Gravitation, Dokl. Akad. Nauk.
  401.                       SSSR (Sov.  Phys.  - Dokl. 12, 1040 (1968).
  402.         See also discussion in C. W. Misner, K. S. Thorne  and  J.  A.
  403.                       Wheeler, Gravitation  (Freeman,  San  Francisco,
  404.                       1973), p.  426
  405.  
  406.      7.  H. E. Puthoff, "Gravity as a  Zero-Point  Fluctuation Force,"
  407.                       Phys. Rev. A 39, 2333 (1989)
  408.  
  409.      8.  H.  E. Puthoff, "Source of Vacuum Electromagnetic  Zero-Point
  410.                       Energy," subm. to Phys. Rev. A, (March 1989)
  411.  
  412.      9.  See  review  of  SED  by  T.  H.  Boyer,  "A  Brief Survey of
  413.                       Stochastic Electrodynamics,"  in  Foundations of
  414.                       Radiation  Theory  and  Quantum Electrodynamics,
  415.                       edited by A.  O.  Barut (Plenum, New York, 1980)
  416.          See also the very readable account "The Classical Vacuum," in
  417.                       Scientific American, p. 70 (August 1985)
  418.  
  419.     10.  E. P.  Tryon,  "Is the Universe a Vacuum Fluctuation?" Nature
  420.                       246, 396 (1973)
  421.  
  422.     11.  A. Vilenkin,  "Creation of  Universes  from  Nothing,"  Phys.
  423.                       Lett. 117B, 25 (1982)
  424.  
  425.     12.  R. Podolny, Ref. 1, p. 211
  426.  
  427.      We of Vangard Sciences wish to express our thanks  to Dr. Puthoff
  428.      for allowing  us to list his excellent paper on Zero Point Energy
  429.        on the KeelyNet.  If you have  questions  or  comments, you may
  430.                         address them to KeelyNet or
  431.          directly to Dr. Puthoff at the address on the title page.
  432.                        Thank you for using KeelyNet!
  433.  
  434.                                   Page 7