هیچِ کوانتومی؛ چگونه 'فیزیکِ هیچ چیز' زیربنای همه چیز است
خلاء به یک مفهوم پایه در فیزیک تبدیل شده است، که پایه و اساس هر نظریه ای در مورد چیزی است.
خلاء فون گریکه نبود هوا بود.
خلاء الکترومغناطیسی عدم وجود محیطی است که بتواند نور را کاهش دهد.
خلاء گرانشی فاقد هرگونه ماده یا انرژی است که بتواند فضا را خم کند.
در هر مورد، "تنوعِ خاصِ هیچ" بستگی به چیزی دارد که فیزیکدانان قصد توصیف آن را دارند. Patrick Draper فیزیکدان نظری در دانشگاه ایلینوی، می‌گوید: "گاهی اوقات، این روشی است که ما یک نظریه را تعریف می‌کنیم."
همانطور که فیزیکدانان مدرن با نامزدهای پیچیده تری برای نظریه نهایی طبیعت(نظریه همه چیز) دست و پنجه نرم کرده اند، با تعداد فزاینده ای از انواعِ هیچ مواجه شده اند که هر کدام رفتار خاص خود را دارند، گویی هر کدام مرحله متفاوتی از یک ماده است. به طور فزاینده‌ای، به نظر می‌رسد که کلید درک منشأ و سرنوشت جهان ممکن است پرداختن و بررسی انواع این "گونه های مختلف از هیچ" که در حال افزایش هم هستند، باشد.
ایزابل گارسیا گارسیا، فیزیکدان ذرات در مؤسسه فیزیک نظری کاولی در کالیفرنیا، می‌گوید: «ما در حال یادگیری هستیم که درباره "هیچ" چیزهای بیشتری از آنچه که قبلا فکر می‌کردیم و در موردش میدانستیم را یاد بگیریم و مطالعه کنیم؛ اینکه این وسط چه چیزی را در مورد مطالعه هیچ، جا گذاشته ایم!؟"
تاکنون، چنین مطالعاتی به یک نتیجه‌گیری دراماتیک منجر شده است: اساس جهان ما ممکن است یک خلا ناپایدار و بی‌ثبات باشد و در آینده‌ای دور به یک هیچِ دیگری تبدیل شود و همه چیز را در این فرآیند نابود کند.
هیچیِ کوانتومی
در قرن بیستم 'هیچ' شبیه یک چیز به نظر نمی رسید، زیرا فیزیکدانان واقعیت را مجموعه ای از میدان ها می دانستند: چیزهایی که فضا را با مقداری در هر نقطه پر می کنند (مثلاً میدان الکتریکی به شما می گوید که یک الکترون چقدر نیرو را در جاهای مختلف احساس می کند). در فیزیک کلاسیک، مقدار یک میدان می تواند در همه جا صفر باشد، به طوری که نه تاثیری(نه اثرگذار باشد) داشته باشد و نه انرژی داشته باشد. Daniel Harlow فیزیکدان نظری در مؤسسه فناوری ماساچوست گفت: «در فیزیک کلاسیک، خلاء خسته کننده است، عملا اینطور در نظر گرفته میشود که هیچ اتفاقی نمی افتد."
اما فیزیکدانان فهمیدند که میدان‌های جهان کوانتومی هستند، نه کلاسیک، به این معنی که ذاتا نامشخص هستند. شما هرگز یک میدان کوانتومی با انرژیِ دقیقاً صفر را نخواهید یافت. هارلو یک میدان کوانتومی را به آرایه‌ای از آونگ‌ها - یکی در هر نقطه از فضا - تشبیه می‌کند که زوایای آن نشان‌دهنده مقادیر میدان است. هر آونگ تقریباً مستقیم به پایین آویزان است، اما به جلو و عقب تکان می‌خورد.
اگر میدان کوانتومی به حال خود رها شود، در پیکربندی کمینه انرژی خود که به عنوان «خلاء واقعی» یا «حالت پایه» شناخته میشود، باقی می‌ماند.
گارسیا گارسیا می‌گوید: «وقتی در مورد خلاء یک سیستم صحبت می‌کنیم، ما به نوعی وضعیت مطلوب یا ترجیحی سیستم را در نظر داریم.»
بیشتر میدان‌های کوانتومی که جهان ما را پر می‌کنند، یک و تنها یک حالت ترجیحی یا مطلوب دارند که در آن تا ابد باقی خواهند ماند. البته بیشتر آنها نه همه آنها.
خلا واقعی و کاذب
در دهه 1970، فیزیکدانان به اهمیت طبقه متفاوتی از میدان‌های کوانتومی پی بردند که مقادیر آنها ترجیح می‌دهند حتی به طور متوسط صفر نباشند. چنین "میدان اسکالری" مانند مجموعه‌ای از آونگ‌ها است که مثلاً در زاویه 10 درجه معلق هستند. این پیکربندی می تواند حالت پایه باشد: آونگ ها آن زاویه را ترجیح می دهند و پایدار هستند.
در سال 2012، آزمایشگران در برخورد دهنده بزرگ هادرونی ثابت کردند که میدان اسکالری معروف به میدان هیگز در جهان نفوذ می کند. در ابتدا، در جهان گرم و اولیه، آونگ های آن به سمت پایین بود. اما با سرد شدن کیهان، میدان هیگز تغییر حالت داد، همانطور که آب می‌تواند تبدیل به یخ شود، آونگ‌های آن همگی به یک زاویه بالا رفتند. (این مقدار هیگز غیرصفر همان چیزی است که به بسیاری از ذرات بنیادی خاصیت معروف به جرم را می دهد.)
با میدان های اسکالر در اطراف، پایداری خلاء لزوما مطلق نیست. آونگ های یک میدان ممکن است چندین زوایای نیمه پایدار داشته باشند و تمایل به تغییر از یک پیکربندی به پیکربندی دیگر داشته باشند. به عنوان مثال، نظریه پردازان مطمئن نیستند که آیا میدان هیگز پیکربندی مورد علاقه مطلق خود را پیدا کرده است یا خیر(نسبی بودن و عدم یکتا بودن وضعیت).
برخی استدلال کرده‌اند که وضعیت کنونی این میدان، علی‌رغم اینکه 13.8 میلیارد سال ادامه داشته است، تنها به‌طور موقت پایدار است یا «غیرپایدار». اگر چنین است، زمان های مناسب و خوب برای همیشه دوام نمی آورند. در دهه 1980، فیزیکدانان سیدنی کلمن و فرانک دی لوچیا توضیح دادند که چگونه یک خلاء کاذبِ یک میدانِ اسکالر می تواند "تجزیه" شود. در هر لحظه، اگر پاندول‌های کافی در یک مکان به سمت زاویه مطلوب‌تری حرکت کنند، همسایه‌های خود را می‌کشند تا با آنها ملاقات کنند و حباب خلاء واقعی با سرعت تقریباً نور به سمت بیرون منبسط می‌کند. در حین حرکت، فیزیک را بازنویسی می‌کند و اتم‌ها و مولکول‌های موجود در مسیر خود را از بین می‌برد. (نگران نشوید. حتی اگر خلاء ما فقط ناپایدار باشد، با توجه به قدرت ماندگاری آن تا کنون، احتمالاً میلیاردها سال دیگر هم دوام خواهد آورد.)
در تغییرپذیری بالقوه میدان هیگز، فیزیکدانان اولین روش از تعداد عملا بی نهایت راه را شناسایی کردند که "هیچی" می تواند همه ما را از بین ببرد.
مشکلات بیشتر، خلاء بیشتر
همانطور که فیزیکدانان سعی کرده اند قوانین تایید شده طبیعت را در مجموعه ای بزرگتر قرار دهند (پر کردن شکاف های بزرگ در درک ما در این فرآیند)، آنها نظریه های نامزدی از طبیعت را با میدان های اضافی و سایر مواد بسط داده اند.
وقتی میدان‌ها روی هم انباشته می‌شوند، با یکدیگر تعامل می‌کنند و بر آونگ‌های یکدیگر تأثیر می‌گذارند و پیکربندی‌های متقابل جدیدی را ایجاد می‌کنند که دوست دارند در آن بمانند.
فیزیکدانان این خلاءها را به صورت دره هایی در یک «چشم انداز انرژی» متحرک تصور می کنند. زوایای مختلف آونگ مربوط به مقادیر مختلف انرژی یا ارتفاعات در چشم انداز انرژی است و یک میدان به دنبال کاهش انرژی خود است همانطور که یک سنگ به دنبال غلتیدن به سمت پایین است. عمیق ترین دره حالت پایه است، اما سنگ می تواند - به هر حال برای مدتی - در دره ای بالاتر آرام بگیرد.
چند دهه قبل فیزیکدانان جوزف پولچینسکی و رافائل بوسو در حال مطالعه جنبه های خاصی از نظریه ریسمان، برای توصیف گرانش کوانتومی بودند. نظریه ریسمان تنها در صورتی کار می‌کند که جهان 10 بعد داشته باشد و ابعاد اضافی به شکل‌هایی بسیار ریز جمع شوند که قابل تشخیص نباشد. پولچینسکی و بوسو در سال 2000 محاسبه کردند که چنین ابعاد اضافی می توانند به روش های بسیار زیادی جمع شوند. هر روش تا کردن یک خلاء متمایز با قوانین فیزیکی خاص خود را تشکیل می دهد.
کیهان شناسان در اوایل دهه 1980 فرضیه ای به نام تورم کیهانی ارائه کردند که به نظریه اصلی تولد کیهان تبدیل شده است. این تئوری معتقد است که جهان با یک انفجار سریع از انبساط نمایی آغاز شد، که به راحتی تخت بودن جهان را توضیح می دهد. اما موفقیت و پذیرفتن تورم بهایی هم دارد.
محققان دریافتند که به محض شروع تورم کیهانی، همچنان این تورم ادامه خواهد داشت. بیشتر خلاء برای همیشه به شدت به بیرون رانده می شود. فقط نواحی محدودی از فضا می‌توانند از باد کردن باز بمانند و به حباب‌هایی با ثبات نسبی تبدیل شوند که با باد کردن فضای بین آنها از یکدیگر جدا می‌شوند. کیهان شناسان تورمی معتقدند که ما یکی از این حباب ها را خانه می نامیم.
چندجهانی از خلاءها
برای برخی، این تصور که ما در چندجهانی زندگی می کنیم - منظره بی پایانی از حباب های خلاء - نگران کننده است. زیرا این باور باعث می شود که ماهیت هر خلاء (مانند خلاء ما) تصادفی و غیرقابل پیش بینی به نظر برسد و توانایی ما برای درک جهان خود را محدود می کند.
پولچینسکی که در سال 2018 درگذشت، به فیزیکدان و نویسنده سابین هوسنفلدر گفت که کشف چشم انداز خلاء نظریه ریسمان در ابتدا او را چنان بیچاره کرد که او را به دنبال راه حل کشاند. اگر نظریه ریسمان هر گونه غیر قابل تصوری را پیش بینی می کند، آیا درواقع اصلا چیزی را پیش بینی کرده است؟
برای دیگران، انبوهی از خلا ها مشکلی نیست. مثل آندری لینده، کیهان شناس برجسته در دانشگاه استنفورد و یکی از توسعه دهندگان تورم کیهانی، گفت: «در واقع، این یک برتری است. این به این دلیل است که چندجهانی به طور بالقوه یک راز بزرگ را حل می کند: انرژی بسیار کم خلاء خاص ما را.
وقتی نظریه پردازان ساده لوحانه لرزش جمعی همه میدان های کوانتومی کیهان را تخمین می زنند، انرژی بسیار زیاد است - به اندازه ای که انبساط فضا را به سرعت تسریع کند و در کوتاه مدت، کیهان را از هم می‌پاشاند. اما شتاب مشاهده شده فضا در مقایسه با آن بسیار ملایم است، و نشان می دهد که بسیاری از لرزش های جمعی از بین می رود و خلاء ما ارزش مثبت فوق العاده کمی برای انرژی خود دارد.
در یک جهان منفرد، انرژی کوچک تنها خلاء مانند یک پازل عمیق به نظر می رسد. اما در یک جهان چندگانه، این فقط یک شانس احمقانه است. اگر حباب‌های مختلف فضا انرژی‌های متفاوتی داشته باشند و با سرعت‌های متفاوتی منبسط شوند، کهکشان‌ها و سیارات فقط در بی‌حال‌ترین حباب‌ها تشکیل می‌شوند. پس خلاء آرام ما اسرارآمیزتر از کمربند طلایی سیاره ما نیست: ما خودمان را اینجا می یابیم زیرا بیشتر جاهای دیگر برای زندگی غیرممکن است.
چه آن را دوست داشته باشید یا از آن متنفر باشید، فرضیه چندجهانی همانطور که در حال حاضر درک می شود یک مشکل دارد. علی‌رغم منوی به‌ظاهر نامتناهی خلاهای نظریه ریسمان، تا کنون هیچ‌کس تاخوردگی خاصی از ابعاد اضافی کوچک را پیدا نکرده است که مطابق با خلاء ما و بادانرژی مثبت باشد. به نظر می رسد نظریه ریسمان خلاءهای انرژی منفی را بسیار راحت تر ایجاد می کند.
شاید نظریه ریسمان نادرست باشد، یا این نقص ممکن است ناشی از درک ناکامل محققان از آن باشد. ممکن است فیزیکدانان راه درستی برای بررسی انرژی خلاء مثبت در نظریه ریسمان نداشته باشند. ناتان سیبرگ، فیزیکدان مؤسسه مطالعات پیشرفته در پرینستون، نیوجرسی، گفت: "این کاملاً ممکن است. این یک موضوع داغ است."
شایر خلاء ما فقط می تواند ذاتاً ناقص باشد. سیبرگ گفت: «نظر غالب این است که فضای با انرژی مثبت پایدار نیست. این می تواند یکی از دلایلی باشد که درک فیزیک آن بسیار دشوار است.
این محققان گمان می‌کنند که خلاء ما یکی از حالت‌های ترجیحی واقعیت نیست و روزی خود را به دره‌ای عمیق‌تر و با ثبات‌تر خواهد رساند. با انجام این کار، خلاء ما می تواند میدان تولید الکترون را از دست بدهد یا ذرات جدیدی را ایجاد کند. ابعاد محکم تا شده ممکن است باز شوند.
پایان خلاء
فیزیکدان ادوارد ویتن برای اولین بار در سال 1982 "حباب هیچ" را کشف کرد. در حین مطالعه یک خلاء با یک بعد اضافی که در هر نقطه به صورت دایره ای کوچک در آمده است، او دریافت که لرزش های کوانتومی به ناچار ابعاد اضافی را تکان می دهند و گاهی دایره را تا یک "نقطه" کوچک می کنند. همچنین ویتن دریافت، این وضعیت هر چیز دیگری را با خود می‌برد(ناپدید میکرد). این ناپایداری باعث ایجاد حبابی می شود که به سرعت در حال گسترش است و فضای داخلی ندارد، سطح آینه مانند دارد که پایان خود فضا-زمان را نشان می دهد.
این ناپایداری ابعاد کوچک مدت‌هاست که نظریه ریسمان را تحت تأثیر قرار داده است و راه حل های مختلفی نیز پیشنهاد شده است.
در ماه دسامبر، گارسیا گارسیا، همراه با دریپر و بنجامین لیلارد از ایلینوی، طول عمر یک خلاء را با یک بعد خمیده اضافی محاسبه کردند. آنها زنگ ها و سوت های تثبیت کننده مختلفی را در نظر گرفتند، اما دریافتند که بیشتر مکانیسم ها در متوقف کردن حباب ها شکست خورده اند. نتیجه‌گیری‌های آنها با نتیجه‌گیری ویتن همسو بود: وقتی اندازه بعد اضافی به زیر آستانه معینی رسید، خلاء به یکباره فرو ریخت. یک محاسبه مشابه - که به مدل‌های پیچیده‌تر تعمیم داده میشود - می‌تواند خلاء را در نظریه ریسمان با ابعاد کمتر از آن اندازه رد کند.
با این حال، خلاء با ابعاد پنهان و به اندازه کافی بزرگ می تواند میلیاردها سال زنده بماند. این بدان معناست که نظریه‌هایی که حباب‌هایی از هیچ تولید می‌کنند، می‌توانند به طور قابل قبولی با جهان ما مطابقت داشته باشند. اگر چنین است، شاید ارسطو راست میگفته است(ارسطو معتقد بود طبیعت خلا را برنمیتابد). طبیعت ممکن است طرفدار پراپاقرص خلاء نباشد و در دراز مدت، ممکن است هیچ چیز را ترجیح ندهد.
ترجمه سام آریامنش / کانال افق رویداد
منبع: quantamagazine