آیا فضا مملو از کف کوانتومی است؟

[_Lσѕт_]

بیگ بنگ: زیر میکروسکوپ به فضا نگاه کنید. چه چیز می بینید؟ هیچ چیز. هزار برابر بزرگنمایی کنید. هیچ چیز. یک میلیون برابر بزرگنمایی کنید. همچنان چیزی دیده نمی شود. حالا یک میلیارد برابر بزرگنمایی کنید. باز هم هیچ چیز قابل مشاهده نیست.

دیدن لینک ها برای شما امکان پذیر نیست. لطفا ثبت نام کنید یا وارد حساب خود شوید تا بتوانید لینک ها را ببینید.

به گزارش بیگ بنگ، شاید یک فرد عادی به این نتیجه گیری بسنده کند که فضا در واقع هیچ چیز نیست. این نتیجه به لحاظ شهودی معقول است. علاوه بر این، انسان پای فراتر از قدرت بزرگنمایی میکروسکوپ ها گذاشته است. فیزیکدانان کوانتومی انسان های عادی نیستند. آنها با استفاده از میکروسکوپ های نظری به بزرگنمایی ادامه داده و درون فضا سرک می کشند و با کنجکاوی آن را زیر نظر می گیرند. ناگهان با چیزی مواجه می شوند. مجموعه ای متلاطم از ذرات مجازی موسوم به «کف کوانتومی» توجه آنها را جلب می کند. به باور فیزیکدانان کوانتومی، ذرات مجازی بعنوان نوسانات گذرا در تار و پود فضا-زمان وجود دارند؛ مثل حباب های درون کف صابون. «اریک پرلمن» استاد فیزیک و علوم فضایی در مؤسسه فناوری فلوریدا گفت: «حباب های درون کف کوانتومی میلیاردها برابر کوچکتر از هسته اتم بوده و برای کسر بسیار کوچکی از ثانیه دوام می آورند.»

چیز بسیار کوچکی که از آن در اینجا بحث می شود، هنوز بطور مستقیم مشاهده نشده است. پس از کجا مطمئن باشیم که این کف کوانتومی وجود دارد؟ یکی از بزرگترین شواهد مبنی بر وجود آنها در سال  ۱۹۴۷ توسط دو فیزیکدان هلندی به نام های «هندریک کاسیمیر و دیرک پولدر» پیش بینی شد. «دون لینکولن» فیزیکدان آزمایشی ارشد آزمایشگاه فرمی اثر به اصطلاح کاسیمیر را اینگونه توضیح می دهد: «اگر کف کوانتومی واقعیت دارند، ذرات باید در همه جای فضا حضور داشته باشند. علاوه بر این، چون ذرات از ماهیت موج برخوردارند، امواج نیز باید در همه جا باشند. داشتن دو صفحه فلزی موازی که نزدیک هم قرار گرفته اند، چیزی بود که آن دو فیزیکدان متصور شدند.»

کف کوانتومی می تواند هم میان صفحات و هم بیرون آنها وجود داشته باشد. چون صفحات نزدیک یکدیگر قرار دارند، فقط امواج کوتاه توان زندگی در میان صفحات را دارند اما امواج دارای طول موج بلند و کوتاه بیرون آنها نیز وجود دارند. به دلیل این عدم توازن، فراوانی امواج واقع در بیرون صفحات باید بر نیروی تعداد کوچکی از امواج افزوده و دو صفحه را کنار هم نزدیک کند. سی سال پس از پیش بینی اثر کاسیمیر،  نهایتا به طور کیفی مشاهده شد و در سال ۱۹۹۷ نیز بطور دقیق مورد اندازه گیری قرار گرفت.

دیدن لینک ها برای شما امکان پذیر نیست. لطفا ثبت نام کنید یا وارد حساب خود شوید تا بتوانید لینک ها را ببینید.

اینکه بگوئیم فضا یک آشفتگی پر هرج و مرج و مملو از کف است، تبعات عظیمی بر درک ما از کیهان دارد. «برایان گرین» نظریه پرداز ریسمان و استاد دانشگاه کلمبیا در کتاب خود با عنوان «جهان زیبا» می نویسد: «ما در فواصل کوتاهی با ناسازگاری اساسی میان نسبیت عام و مکانیک کوانتومی روبرو شده ایم. مفهوم هندسه فضایی مسطح بعنوان ایده اصلی نظریه نسبیت عام، با نوسانات خشونت آمیز دنیای کوانتومی در فواصل کوتاه نابود می شود.»

اینکه با قاطعیت بگوئیم کف کوانتومی وجود دارد یا ندارد، میتواند در درک ماهیت درست واقعیت بسیار مفید باشد. اما آزمایشات اخیر چیز دیگری می گویند. یکی از راه های محتمل برای بررسی وجود کف کوانتومی، اندازه گیری مدت زمان حرکت فوتون های حاصل از انفجارهای ستاره ای در فواصل طولانی است. اگر فضا-زمان مسطح و ملال آور است، دو فوتون آزاد شده از منبع یکسان باید در زمان یکسانی یک فاصله مشخصی را طی کنند. اما در صورتی که فضا-زمان کفدار باشد، سرعت فوتون با نوسانات و اختلالات اندک کاهش می یابد. تجزیه و تحلیل سال  ۲۰۰۹ نشان داد که فوتون های پر انرژی و کم انرژی از انفجار پرتو گاماى یکسانی در زمان های متفاوتی به یک موقعیت مشخص رسیدند. اما تحلیل های بعدی سایر انفجارها نشان داد که فضا-زمان مسطح است.

هیچ یک از آزمایشات نمی تواند با دقیق ترین جزئیات این مورد را اندازه گیری کند تا ایده کف کوانتومی کنار گذاشته شود. ما باید منتظر اختراع میکروسکوپى با قابلیت مشاهده  ۱٫۶×۱۰^-۳۵ متر باشیم و ساخت چنین دستگاهی فرایندی دشوار و شاید زمان بر است. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ دیدن لینک ها برای شما امکان پذیر نیست. لطفا ثبت نام کنید یا وارد حساب خود شوید تا بتوانید لینک ها را ببینید.
RealClearScience  منتشر شده است.