فوتون‌های مجازی حقیقی می‌شوند!

[∆ MeRzaD ∆]

با استفاده از اثر دینامیک کازیمیر می‌توان فوتون‌های مجازی را به فوتون‌های حقیقی و قابل مشاهده تبدیل کرد. اکنون محققان توانسته‌اند با رهیافتی مشابه به جای فوتون‌ها، فونون‌های مجازی را به فونون‌های حقیقی تبدیل کنند.

برای اولین بار محققان اثر دینامیک کازیمیر (DCE) را برای امواج صوتی (به جای افت و خیزهای کوانتومی میدان الکترومغناطیسی) نشان می‌دهند. گروهی از فیزیک‌دانان در فرانسه آزمایشی انجام داده‌اند که در یک گاز اتمی فراسرد شده، افت و خیزهای کوانتومی به زوج موج‌های صوتی کوانتیزه شده (فونون‌ها) تبدیل می‌شوند. با این حال این آزمایش به درک بیشتر ما از چگونگی ظهور تابش (به طور خودبه‌خودی) از خلأ کمک می‌کند. همچنین این گروه مشتاق هستند تا این آزمایش را به سمتی تغییر دهند تا بتوانند تابش هاوکینگ را شبیه‌سازی کنند. تابش هاوکینگ نوعی تابش خودبه‌خودی خلأ است که در مرز سیاه‌چاله‌ها تولید می‌شود.

یکی از جالب‌ترین جنبه‌های مکانیک کوانتومی این است که خلأ حقیقتاً خالی نمی‌باشد. در این مکانیک، خلأ دارای کمی انرژی می‌باشد. همچنین محیط خلأ پر از ذراتی است که بدون هیچ دلیلی بوجود می‌آیند و از طرفی به سرعت از بین می‌روند. یکی از پیامدهای معروف حضور ذرات در خلأ (این ذرات در خلأ افت و خیز می‌کنند) نیروی کازیمیر است. اگر دو آینه بدون بار در فاصله نزدیکی از هم به طور موازی در خلأ قرار داده شوند، این دو آینه نیرویی جاذبه را حس می‌کنند. این نیرو به نیروی کازیمیر معروف است. در سال ۱۹۴۸ هِندریک کازیمیر فیزیکدان آلمانی وجود این نیرو را پیش‌بینی کرد. این در حالی است که بدلیل کوچکی این نیرو۱ تا سال ۱۹۹۷ امکان اندازه‌گیری آن در آزمایشگاه فراهم نبود.

جداسازی ذرات مجازی

در سال ۱۹۷۰ جرارد مور فیزیکدان آمریکایی اثر دینامیک کازیمیر را پیشنهاد کرد. اثر دینامیک کازیمیر بر پایه‌ی نسخه‌ی اصلی آینه‌های کازیمیر استوار است، و به کمک آن می‌توان نشان داد که چگونه فوتون‌های مجازی به فوتون‌های حقیقی تبدیل می‌شوند. در واقع ایده مربوطه در این کار این است که فاز یک موج الکترومغناطیسی روی سطح آینه صفر می‌شود. حال اگر آینه با سرعت بسیار زیادی (کسر قابل توجهی از سرعت نور) حرکت داده شود، میدان الکترومغناطیسی زمانی برای تنظیم خود با آینه ندارد (منظور زمانی برای اینکه فاز موج دوباره روی آینه‌ها صفر شود). نتیجه این است که قبل از آنکه این ذرات نابود شوند آینه می‌تواند ذرات مجازی را جدا کند.

به هر حال حرکت دادن آینه‌ها با چنین سرعتی در آزمایشگاه غیر ممکن به نظر می‌رسید. برای حل این مشکل کریس ویلسون و همکارانش در دانشگاه Chalmers از یک وسیله به اسم «دستگاه تداخلی ابررسانای کوانتومی» به عنوان یک آینه نوسان کننده استفاده کردند و در سال ۲۰۱۱  برای اولین بار DCE را در آزمایشگاه نشان دادند.

اکنون کریس وستبروک و همکارانش از آزمایشگاه Charles Fabry در دانشگاه Paris-Sud (فرانسه) می‌گویند که آن‌ها اثر دینامیک کازیمیر را برای امواج صوتی نشان داده‌اند. گفتنی است در این مورد به جای فوتون‌ها، فونون‌های مجازی سهیم هستند. آزمایش آن‌ها الهام گرفته از پژوهشی نظری بود که توسط لاکوپو کاروسوتو و همکارانش در دانشگاه Trento  (ایتالیا) انجام شد. فیزیک‌دانان ایتالیایی استدلال کردند که اثر دینامیک کازیمیر امواج صوتی بایستی در نوع خاصی از ماده چگال به اسم «چگالش بوز-اینشتین» دیده شود، به این صورت که از چگالش بوز-اینشتین (به جای خلأ) در اثر دینامیک کازیمیر (با تغییر سریع در طول پراکندگی) استفاده می‌شود. چگالش بوز-اینشتین وقتی تشکیل می‌شود که بوزون‌‌های یکسان (به ذراتی با اسپین صحیح بوزون گفته می‌شود) تا جایی سرد شوند تا اینکه همه ذرات در حالت کوانتومی یکسانی باشند. چگالش‌های بوز-اینشتین مکان خوبی برای بررسی اثرات کوانتومی هستند چون دمای بسیار پایین آن‌ها اثرات اختلال‌های گرمایی را کاهش می‌دهد.

با مچاله کردن چگالش بوز-اینشتین فونون‌ها در جهت‌های مخالف منتشر می‌شوند.

تغییر سرعت صوت

این گروه فرانسوی با سرد کردن ۱۰۰هزار اتم هلیوم تا دمایی در حدود ۲۰۰ نانو کلوین چگالش بوز-اینشتین تولید کردند. گروه فهمیدند که به جای تغییر در طول پراکندگی می‌توان اثر دینامیک کازیمیر را با تغییر در سرعت صوت در چگالش بوز-اینشتین ایجاد کرد. برای این کار هم‌زمان با فشردن چگالش بوز-اینشتین، شدت نور لیزری که اتم‌ها را احاطه کرده است افزایش دادند.

این فشردگی موجب می‌شود تا فونون‌های مجازی به زوج فونون‌های حقیقی تبدیل شوند. به طوری که این زوج فونون‌ها در جهت‌های مخالف یکدیگر منتشر می‌شوند. این فونون‌ها مستقیماً قابل آشکارسازی نمی‌باشند. برای همین فیزیک‌دانان لیزر را خاموش کردند و سپس سرعت اتم‌هایی را که از ابر مورد نظر خارج شدند اندازه گرفتند. با این اندازه‌گیری مشخص شد که برانگیختگی‌هایی (فونون‌ها) با تکانه‌های مساوی و مخالف، درون چگالش بوز-اینشتین حرکت می‌کردند. گفتنی است که وقتی چگالش بوز-اینشتین متراکم نشد این برانگیختگی‌ها نیز مشاهده نشد.

وستبروک می‌گوید: قبل از آنکه این کار را شروع کنم درباره اثر دینامیک کازیمیر چیز‌هایی شنیده بودم و به نظر می‌رسید این کار بسیار پیچیده باشد. اما انجام این کار نشان داد خیلی هم سخت نیست. او اضافه می‌کند: این توضیحی واقعی از چیزی است که اتفاق می‌افتد. اگر یک‌بار بتوانید آن را بفهمید آنگاه می‌توانید شرایط مسئله را تغییر دهید و به چیز‌های دیگری مثل تابش هاوکینگ فکر کنید.

مهار صوت

در سال ۲۰۰۹ جین استینهاور و همکارانش، یک سیاه‌چاله موج صوتی تولید کردند که صوت را به جای نور مهار می‌کند. وستبروک می‌گوید که تیمش علاقه دارد تا این دو سیستم را با هم ادغام کنند تا بتوانند یک مشابه موج صوتی برای تابش هاوکینگ تولید کنند. تابش هاوکینگ نوعی تابش خودبه‌خودی خلأ است که در مرزهای سیاه‌چاله‌ها بوجود می‌آید.

یکی از عیب‌های آزمایش گروه فرانسوی این است که DCE تحت تأثیر اختلال‌های گرمایی می‌باشد. چرا که حتی در دمای کم ۲۰۰ نانو کلوین هم اثرات گرمایی مهم می‌شوند و از این حیث می‌توان گفت که این آزمایش، اثر دینامیک کازیمیر «بی‌نقص» را نشان نمی‌دهد.

استینهاور موافق این موضوع است که فونون‌های هم‌پوشانی یافته با افت و خیزهای کوانتومی بایستی آشکارسازی شوند. اما از طرفی او می‌گوید آزمایش گروه فرانسوی گام خوبی در رسیدن به هدف مورد نظر می‌باشد.

دانیلِ فاسیو در دانشگاه Heriot Watt (ادینبورگ) بیان می‌کند که مهم‌ترین هدف این گروه در رسیدن به هدف مطلوب، پایین آوردن دمای چگالش بوز-اینشتین است. به هر حال فاسیو می‌گوید که او احساس می‌کند که با این وجود هنوز این‌ آزمایش اثباتی برای فیزیک اثر دینامیک کازیمیر است. او همچنین می‌گوید: هنوز گسیل خودبه‌خودی تابش وجود دارد. گسیل خودبه‌خودی که با تغییر دوره‌ای شرط مرزی تولید می‌شود. بنابراین فیزیک مسئله وجود دارد. من فکر می‌کنم این قسمت زیبای کار باشد و این فرآیند بسیار مفید است.

۱- اگر بخواهیم حسی از کوچکی نیروی کازیمیر داشته باشیم باید بگوییم اگر دو صفحه هر کدام با مساحت ۱ سانتی‌متر مربع را در فاصله ۱ میکرومتر از هم در خلأ قرار دهیم به این دو صفحه نیرویی جاذبه معادل با یک‌هزارم وزن یک مگس وارد می‌شود.