مقدمه: فراتر از بزرگنمایی معمولی
به فضای خالی اطراف خود نگاه کنید. به نظر میرسد هیچچیز در آن وجود ندارد. حالا بیایید آن را زیر قویترین میکروسکوپهای نوری قرار دهیم. با بزرگنمایی هزار برابر، هنوز هیچچیز نمیبینیم. یک میلیون برابر؟ باز هم نتیجه همان است. حتی یک میلیارد بار بزرگنمایی نیز چیزی جز خلأ به ما نشان نمیدهد.
در این نقطه، هر فرد معمولی ممکن است نتیجهگیری کند که فضا، در حقیقت، هیچ است. این تصور که قدرت بینایی ما از ابزارهای پیشرفته فراتر رفته، وسوسهانگیز است. اما فیزیکدانان کوانتوم اینگونه فکر نمیکنند. آنها با ابزاری قدرتمندتر از میکروسکوپهای فیزیکی، یعنی نظریههای ریاضی، به بزرگنمایی عمیقتر و عمیقتر ادامه میدهند تا جایی که از آن "هیچ" ظاهری فراتر رفته و به واقعیتی شگفتانگیز میرسند.
فوم کوانتومی چیست؟
در مقیاسهای بسیار کوچک، بسیار فراتر از توانایی ابزارهای ما، فضا دیگر صاف و آرام نیست. در عوض، به مجموعهای درهمتنیده و پرجنبوجوش از ذرات تبدیل میشود که به طور مداوم در حال ظهور و ناپدید شدن هستند. فیزیکدانان به این پدیده فوم کوانتومی (Quantum Foam) میگویند. این فوم، ساختار بنیادین فضازمان در کوچکترین مقیاسها را تشکیل میدهد.
ذرات مجازی و نوسانات فضازمان
این پدیده بر اساس یک اصل کلیدی در مکانیک کوانتومی شکل میگیرد: عدم قطعیت هایزنبرگ. بر اساس این اصل، خلاء مطلق وجود ندارد. در عوض، انرژی میتواند به صورت موقت از خلاء "قرض" گرفته شود تا یک جفت ذره-پادذره ایجاد شود. این ذرات که ذرات مجازی نامیده میشوند، عمر بسیار کوتاهی دارند و به سرعت یکدیگر را نابود کرده و انرژی قرضگرفتهشده را به خلاء برمیگردانند.
این رویدادهای بیوقفه در تمام نقاط فضا، مانند حبابهای کوچکی هستند که در یک نوشیدنی گازدار به طور مداوم شکل میگیرند و میترکند. به همین دلیل است که به این پدیده "فوم" میگویند. این نوسانات کوانتومی در انرژی، منجر به نوساناتی در خود ساختار فضازمان نیز میشود و آن را به سطحی کفمانند و متلاطم تبدیل میکند.
آقای اریک پرلمن، استاد فیزیک و دانش فضایی موسسه تکنولوژی فلوریدا، در این باره میگوید: این "حباب"های کوانتومی کوآدریلیون بار (ده به توان بیست و چهار) از هسته اتم کوچکتر هستند و در کسری بینهایت کوچک از ثانیه (یا به زبان کوانتومی به اندازه یک طول پلانک برای یک زمان پلانک) پایداری دارند.
چگونه میتوان وجود فوم کوانتومی را اثبات کرد؟
با توجه به اینکه این پدیده به طور مستقیم مشاهده نشده است، این سؤال مطرح میشود که چگونه میتوان از وجود آن مطمئن بود؟ دانشمندان دو شواهد مهم را برای تأیید این نظریه ارائه کردهاند: یک اثر آزمایشگاهی و یک آزمایش اخترفیزیکی.
شواهد تجربی: اثر کاسیمیر
یکی از بزرگترین شواهد برای وجود فوم کوانتومی و ذرات مجازی، پدیدهای به نام اثر کاسیمیر است. این ایده در سال ۱۹۴۷ توسط دو فیزیکدان هلندی، هندریک کاسیمیر و دیرک پولدر، پیشبینی شد. آقای دان لینکلن، فیزیکدان آزمایشی ارشد Fermilab، این پدیده را به شرح زیر تشریح میکند:
اگر فوم کوانتومی واقعی باشد، ذرات مجازی (که ماهیت موجی دارند) باید در همهجای فضا وجود داشته باشند. آنها تصور کردند اگر دو صفحه فلزی موازی و بسیار نزدیک به هم در خلاء قرار گیرند، اتفاق جالبی میافتد:
- بین صفحات: به دلیل فاصله کم، تنها امواج با طول موج کوتاه میتوانند در این فضا وجود داشته باشند.
- خارج از صفحات: امواج با طول موجهای کوتاه و بلند میتوانند آزادانه وجود داشته باشند.
این عدم تعادل در تعداد و انرژی امواج، باعث ایجاد یک فشار بیشتر از سمت خارج صفحات میشود. در نتیجه، این نیروی خارجی، صفحات را به سمت یکدیگر هل میدهد. این پیشبینی تئوریک، حدود سی سال بعد در سال ۱۹۹۷ به طور دقیق اندازهگیری و به طور کیفی مشاهده شد و یکی از قویترین شواهد تجربی برای وجود انرژی خلاء و نوسانات کوانتومی محسوب میشود.
آزمایشهای اخترفیزیکی: سفر فوتونها
روش دیگر برای جستجوی فوم کوانتومی، نگاه کردن به دورترین نقاط کیهان است. اگر فضازمان در مقیاس پلانک واقعاً فوممانند و متلاطم باشد، این آشفتگی باید بر سفر نور از کهکشانهای دوردست تأثیر بگذارد.
دانشمندان پیشبینی کردند: اگر دو فوتون (ذره نور) همزمان از یک انفجار بزرگ ستارهای (مانند انفجار اشعه گاما) ساطع شوند، فوتونی که انرژی بیشتری دارد ممکن است به دلیل برخورد با این "فوم"، مسیر کمی طولانیتر و زمان بیشتری برای رسیدن به زمین صرف کند. یک تحلیل در سال ۲۰۰۹ تلاش کرد این تفاوت زمانی را در فوتونهایی با انرژیهای کم و زیاد از یک انفجار اشعه گاما شناسایی کند. (منبع: ناسا)
با این حال، دو آنالیز متوالی از انفجارهای دیگر، هیچ تفاوت زمانی معناداری را نشان ندادند. این نتایج نشان میدهد که یا فضازمان در مقیاسهای بزرگتر از مقیاس پلانک کاملاً هموار است، یا حداقل میزان "فومی" بودن آن به قدری کم است که با ابزارهای فعلی قابل تشخیص نیست.
تضاد غولان: نسبیت عام در برابر مکانیک کوانتومی
ایده وجود فوم کوانتومی، یکی از عمیقترین ناسازگاریها در فیزیک مدرن را برجسته میکند. این نقطه نظر که فضا در پایه و اساسش یک به هم ریختگی کفمانند است، در فهم ما از هستی تأثیر بزرگی دارد.
برایان گرین، تئوریسین و استاد دانشگاه کلمبیا، در کتاب خود، Elegant Universe، مینویسد: این موضوع در مقیاس کوچک، از آن مواردی است که ما به عنوان ناسازگاریهای اساسی بین نظریه نسبیت عام و مکانیک کوانتومی میشناسیم. مفهوم هندسه فضایی هموار، هسته اصلی نسبیت عام، توسط نوسانات موجود در دنیای کوانتومی به چالش کشیده میشود.
نسبیت عام نیازمند یک صحنه صاف و قابل پیشبینی به نام فضازمان است تا در آن، اجرام آسمانی حرکت کنند. اما مکانیک کوانتومی میگوید در کوچکترین مقیاسها، این صحنه خود از ذرات و انرژیهای آشوبناک ساخته شده است. حل این تضاد، یکی از بزرگترین اهداف فیزیک نظری است و به دنبال نظریهای جامع مانند نظریه ریسمان است.
نتیجهگیری: آیا به پاسخ نهایی نزدیک شدهایم؟
بنابراین، آیا فضا زیر میکروسکوپ واقعاً خالی است؟ پاسخ قاطعانه خیر. شواهد قوی مانند اثر کاسیمیر نشان میدهند که خلاء سرشار از فعالیتهای پنهان است. با این حال، هیچکدام از آزمایشها نمیتوانند وجود فوم کوانتومی را در کوچکترین مقیاس ممکن، یعنی طول پلانک (حدود ۱.۶ ضربدر ۱۰ به توان منفی ۳۵ متر)، رد یا تأیید قطعی کنند.
شاید برای رسیدن به قطعیت، باید منتظر ابزاری باشیم که بتواند ذراتی در این مقیاس نانوسکوپی را مشاهده کند. ساخت چنین میکروسکوپی، که به آن "تلسکوپ پلانک" نیز میگویند، یک چشمانداز بسیار دور و یک چالش فنی عظیم است. تا آن زمان، جستجوی برای درک ماهیت واقعی فضا، همچنان یکی از هیجانانگیزترین مراحل ماجراجویی بشری برای کشف اسرار کیهان خواهد بود.
نظرات
0دیدگاه خود را ثبت کنید
برای ارسال نظر و مشارکت در گفتگو، لطفا وارد حساب کاربری خود شوید.