محققان فیزیک کوانتومی: فضای تهی، کاملا تهی نیست
اگر بخواهیم کوانتوم را تنها با یک جمله توصیف کنیم، باید بگوییم در جهان کوانتوم چیزها آن‌گونه نیستند که انتظار دارید؛ در این خصوص می‌توان فضای تهی را مثال زد. در فیزیک کلاسیک، فضای تهی، فضایی عاری از ماده است؛ اما بر اساس نظریه‌ی کوانتوم، فضای تهی، مالامال از ماده است. دانشمندان از دهه‌ی ۱۹۴۰ شواهد ضعیفی از این ماده‌ی تهی، یا اگر فنی‌تر بگوییم، نوسان‌های خلأ کوانتومی، به دست آورده‌اند؛ اما آزمایش‌های جدید ممکن است اثبات مستقیمی برای وجود آن به ما داده باشند. این نتیجه می‌تواند برای تحقیقات کوانتومی بسیار بسیار بزرگ و مهم باشد.
تعریف کامل خلأ از منظر فیزیک کلاسیک، فضایی عاری از ماده در پایین‌ترین حالت انرژی ممکن است؛ اما هنگامی که در قلمرو فیزیک کوانتوم کاوش می‌کنید، این تعریف به یک مشکل برمی‌خورد. احتمالا تاکنون نام اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را شنیده‌اید، حتی اگر کاملا آن را درک نکرده باشید. در واقع، این اصل بیان می‌کند که در مورد آن‌چه از ذرات کوانتوم می‌دانیم، محدودیت وجود دارد. به دلیل اینکه همه چیز در مکانیک کوانتوم هم موج است و هم ذره، اگر مکان یک ذره را بدانید، نمی‌توانید از تکانه آن اطلاع داشته باشید و برعکس. این موضوع به این ایده ختم می شود که خلأ، در واقع خالی نیست. در حقیقت خلأ محیطی پویا است که در آن تعداد کمی از ذرات به صورت تصادفی ناپدید و مجددا پدیدار می‌شوند و یک میدان متناوب انرژی ایجاد می‌کنند.
البته این فقط تعریفی است که هایزنبرگ از خلأ دارد. ما هرگز مدرکی واقعی برای اثبات این میدان‌های انرژی نداشته‌ایم. در دهه‌ی ۱۹۴۰، دانشمندان با بررسی تابش ساتع شده از اتم‌های هیدروژن و نیروهای وارده بر صفحات فلزی نزدیک به هم، به شواهدی غیرمستقیم از این میدان‌های انرژی دست یافتند. سپس در سال ۲۰۱۵، تیمی از دانشمندان آلمانی به رهبری آلفرد لایتنستورفر، اعلام کرد که با استفاده از تابش یک پالس بسیار کوتاه لیزر به داخل خلأ و مشاهده‌ی تغییرات جزئی در قطبش (پولاریزاسیون) نور، به صورت مستقیم موفق به تشخیص میدان متناوب انرژی شده‌اند. تغییراتی که این تیم به آن‌ها اشاره کرده است، به دلیل نوسان‌های خلأ کوانتوم رخ داده است؛ اما از آنجا که عوامل متعددی به‌شکل بالقوه می‌توانند باعث ایجاد این نوسان‌ها شوند، این نتیجه هنوز جای بحث دارد.
در نهایت در ژانویه‌ی ۲۰۱۷، لایتنستورفر و تیمش مقاله‌ای منتشر کردند که احتمالا مدرکی قطعی و مستدل برای نوسان‌های کوانتومی خلأ است. آن‌ها بار دیگر از یک پالس بسیار کوتاه لیزر استفاده کردند (پالسی به طول چند فمتوثانیه که اندازه‌ی آن نصف طول موج نور در فضای مورد مطالعه‌ی آن‌ها بود) تا آن‌چه به نام «نور فشرده» شناخته می‌شود، ایجاد کنند. سرعت این نور در قطعه‌ای مشخص از فضا-زمان کاهش یافته است. بر اساس اعلام این تیم تحقیقاتی، این فشرده‌سازی همچون خودرویی که باعث ایجاد گره ترافیکی می‌شود، عمل می‌کند: «از نقطه‌ی معینی به بعد، بعضی خودروها آهسته‌تر حرکت می‌کنند. در نتیجه، ازدحام ترافیک پشت این خودروها افزایش می‌یابد، درحالی‌که در جلوی این نقطه، تراکم ترافیک کم می‌شود؛ این یعنی وقتی دامنه‌ی نوسان‌ها در یک مکان کاهش می‌یابد، در مکانی دیگر افزایش می‌یابد.
نبوغ این آزمایش را این‌گونه می‌توان خلاصه کرد: برای تشخیص نوسان‌های یک ذره همچون یک فوتون از نور، باید آن را برانگیخته کرد که آن را مختل و همه‌ی خصوصیات کوانتومی آن را پاک می‌کند. بنابراین به جای تشخیص فوتون‌ها در فضا، این تیم تحقیقاتی آن‌ها را در زمان شناسایی کردند. شاید عجیب به نظر برسد؛ اما نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین می‌گوید فضا و زمان در خلأ یکسان هستند. آن‌ها با ترکیب این تکنیک با «گره ترافیکی» فوتونی خود، به مدرک مستقیمی برای اثبات وجود نوسان‌ها در خلأ کوانتومی رسیدند. یکی از شواهدی که این تیم به آن‌ها دست یافته، پدیده‌ای جذاب است که در آن بعضی نوسان‌ها واقعا در زیر سطحی با کمترین انرژی که تصور می‌کردیم امکان داشته باشد، اتفاق افتاده‌اند. همان‌گونه که در شکل شماتیک نوسان‌های درون خلأ دیده می‌شود، بعضی نوسان‌ها در زیر سطح انرژی پایه رخ داده‌اند.
اما این بهترین قسمت ماجرا نیست. اگر این دانشمندان واقعا راهی برای تشخیص ذرات بدون برانگیختن آن‌ها یافته باشند، احتمالا موفق به باز کردن قفل دری شده‌اند که از شروع پیدایش فیزیک کوانتوم به روی دانشمندان بسته بود. پیش از این ما هرگز قادر به تشخیص مستقیم ذرات کوانتومی نبودیم و این تکنیک جدید می‌تواند راه دستیابی به این هدف باشد. البته لازم است این یافته‌ها به صورت علمی تأیید شوند؛ اما اگر این نتیجه درست باشد، می‌تواند قدم بسیار بزرگی در فیزیک کوانتوم باشد.
نظرات