Vaikka monet tietävät, että ”negatiivinen energia” viittaa negatiiviseen chiin, negatiiviseen auraan tai muuten haitalliseen energiaan, jonka henkilö luovuttaa, termillä on myös tieteellinen määritelmä. Heisenbergin epävarmuusperiaatteen perusteella negatiivinen energia liittyy energian luontaisiin vaihteluihin, joita esiintyy missä tahansa energiassa tai magneettikentässä. Tämä ”eksoottisen aineen” muoto on erittäin arvaamaton voima, jonka on todistettu olevan olemassa nollaenergiakenttien keskellä. Vaikka tämän tyyppistä energiaa on vaikea tunnistaa, sen arvellaan olevan olemassa mustien aukkojen partaalla, ja Stephen Hawking on pitänyt sitä välttämättömänä edellytyksenä aikamatkoille.
Negatiivisen energian käsitettä ehdotti brittiläinen fyysikko Paul Adrien Maurice Dirac vuonna 1928 osana Diracin yhtälöä. Tämä yhtälö on suunniteltu vastaamaan erityistä suhteellisuusteoriaa. Tässä yhtälössä Dirac kuvasi, kuinka positiivisen energian kvantitiloja kompensoi negatiivinen energia. Yleensä nämä kaksi energialajia tasapainottavat toisiaan. Siten negatiivinen energian muoto ei yleensä ole havaittavissa oleva ilmiö. Kuitenkin puhtaan tyhjiön tapauksessa negatiiviset energiatilat ilmaistaan kaikille tyhjiössä oleville atomeille, kun taas positiivisia energiatiloja ei ilmaista. Tätä käsitettä kutsutaan Diracin mereksi.
Teoreettisesti reikä voi kehittyä Diracin mereen, jos eksynyt gammasäde törmää negatiiviseen energiatilaan kuuluvien elektronien kanssa ja muuttaa sen siten positiivisesti varautuneeksi elektroniksi. Tällainen reikä Diracin meressä käyttäytyisi päinvastaisella tavalla kuin alkuperäinen negatiivisesti varautunut elektroni. Uusi positiivisesti varautunut elektroni olisi esimerkki antiaineesta. Näin ollen antimateriaa ei pidä sekoittaa negatiiviseen energian tilaan.
Vuonna 1948 hollantilainen fyysikko Hendrick Casimir ennusti, että kahden varaamattoman rinnakkaisen levyn välissä voi olla pieni vetovoima tyhjiössä. Jos levyt ovat erittäin lähellä toisiaan, syntyy negatiivista energiaa, koska kahden levyn välisten sähkömagneettisten aaltojen määrä pienenee kuin ympäröivän tilan. Pohjimmiltaan negatiivinen energiatila tulee läsnä, kun hiukkasten aallonpituudet tietyllä avaruusalueella ovat pienempiä kuin mitä normaalisti voidaan mitata.
Casimirin ennusteet on havaittu kahdessa erillisessä kokeessa. Ensimmäinen kokeilu tapahtui vuonna 1958, ja sitä valvoi MJ Sparnaay. Se tuotti tuloksia, jotka olivat yhdenmukaisia Casimirin teorioiden kanssa. Toinen kokeilu, Steve K. Lamoreaux, suoritettiin vuonna 1997. Sen sijaan, että käyttäisi kokeessa kahta levyä, Lamoreaux yhdisti yhden levyn toisen levyn kanssa, joka oli osa lähes tarkkaa palloa. Tämä kokeilu vahvisti myös Casimirin ennustukset. Vaikka negatiivisia energiatiloja ei ehkä voida havaita, ne on osoitettu sekä teoreettisesti että kokeellisesti.