فیزیکدانان مستقیماً از نوسانات کوانتومی فضای خالی تصویربرداری کردند و نظریه میدان کوانتومی ۹۰ ساله را تأیید نمودند

شاید فکر کنید فضای بین صفحه نمایش و چشمان شما خالی است—یک خلأ منفعل که در آن هیچ اتفاقی نمی‌افتد. اما مکانیک کوانتومی مدت‌هاست اصرار دارد که «خالی بودن» واقعی غیرممکن است. اگر بتوانید به اندازه کافی نزدیک شوید، متوجه می‌شوید که خلأ یک اقیانوس متلاطم و پر از نویز از انرژی موقت است.

برای ۹۰ سال، این مفهوم یک ضرورت ریاضی بود که فیزیکدانان نمی‌توانستند مستقیماً آن را ببینند. اکنون، این وضعیت تغییر کرده و درک ما از بافت جهان را به طور بنیادی دگرگون ساخته است. این درک که خلأ یک محیط فیزیکی است، نحوه نگرش ما به همه چیز، از تولد کیهان گرفته تا محدودیت‌های محاسبات کوانتومی، را تغییر می‌دهد.[1][3]

دو پیشرفت مستقل که این ماه منتشر شدند، سرانجام خلأ کوانتومی را از قلمرو نظریه محض خارج کرده و به مشاهده مستقیم رسانده‌اند. در یکی از این مطالعات، فیزیکدانان تجربی با موفقیت از نوسانات کوانتومی یک خلأ شبیه‌سازی‌شده در آزمایشگاه عکس گرفتند و نامرئی را مرئی ساختند. در دیگری، اخترفیزیکدانان پرانرژی از یک ستاره مرده استفاده کردند تا ثابت کنند که خلأ فضا به طور فیزیکی نور را تغییر می‌دهد. این اکتشافات در کنار هم، قانع‌کننده‌ترین شواهد را ارائه می‌دهند که فضاهای خالی جهان به هیچ وجه خالی نیستند.[1][2][3][7]

برای درک این شواهد، ابتدا باید ببینیم که نظریه میدان کوانتومی «هیچ» را چگونه تعریف می‌کند. به لطف اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، یک میدان کوانتومی هرگز نمی‌تواند کاملاً ساکن باشد. از آنجا که نمی‌توان برخی از جفت ویژگی‌ها—مانند مکان و تکانه—را به طور همزمان با دقت تعریف کرد، حتی در پایین‌ترین حالت انرژی ممکن، یک «لرزش» اجتناب‌ناپذیر وجود دارد. آنچه فیزیکدانان آن را خلأ می‌نامند، یک فضای خالی نیست، بلکه حالت پایه این میدان‌ها است که دائماً با فعالیت نامشخص در حال جوشیدن است.[4]

این لرزش به صورت ذرات مجازی، مانند جفت‌های الکترون-پوزیترون، ظاهر می‌شود که تقریباً بلافاصله به وجود می‌آیند و ناپدید می‌شوند. آنها اشیاء دائمی نیستند که فضایی را اشغال کنند، بلکه ویژگی‌هایی از توصیف ریاضی برهم‌کنش‌ها هستند. تا کنون، دانشمندان فقط می‌توانستند پیامدهای ثانویه این نوسانات را اندازه‌گیری کنند.

به عنوان مثال، اثر کازیمیر نشان می‌دهد که اگر دو صفحه فلزی بدون بار را در خلأ بسیار نزدیک به هم قرار دهید، به دلیل تفاوت در نوسانات کوانتومی بین صفحات در مقایسه با بیرون، نیروی قابل اندازه‌گیری‌ای آنها را به سمت یکدیگر هل می‌دهد.[1][3]

اولین بخش مهم از شواهد جدید از تیمی به رهبری یان‌شنگ ژانگ در دانشگاه کمبریج می‌آید. همانطور که در یک پیش‌چاپ جدید توضیح داده شده است، آنها موفق شدند مستقیماً از این نوسانات تصویربرداری کنند.

از آنجا که خلأ فضای واقعی بسیار ظریف و تصادفی است که نمی‌توان مستقیماً از آن عکس گرفت، آنها یک جایگزین ساختند: یک چگالش بوز-اینشتین (BEC) دو بعدی ساخته شده از اتم‌های پتاسیم-۳۹ فوق‌سرد. در دماهایی که فقط کمی بالاتر از صفر مطلق هستند، اتم‌ها به طور جمعی به عنوان یک سیستم کوانتومی واحد رفتار می‌کنند و اجازه می‌دهند اثرات کوانتومی در سراسر ابر مشاهده شوند.[1][4]

محققان با سرد کردن اتم‌ها، یک میدان کوانتومی را در حالت‌های اسپین داخلی اتم‌های پتاسیم-۳۹ کدگذاری کردند و آنها را با استفاده از امواج رادیویی به هم متصل نمودند. اساساً، تغییرات در اسپین اتم‌ها در سراسر ابر، منعکس‌کننده تغییرات یک خلأ کوانتومی واقعی بود.

هر مُد از میدان مانند یک نوسانگر هارمونیک کوانتومی رفتار می‌کرد—نسخه مکانیک کوانتومی یک جرم که روی فنر بالا و پایین می‌رود—که به دلیل عدم قطعیت کوانتومی، هرگز نمی‌تواند کاملاً ساکن باشد، حتی در پایین‌ترین انرژی خود. این تنظیم هوشمندانه به تیم اجازه داد تا محیطی قابل کنترل ایجاد کند که در آن قوانین میکروسکوپی مکانیک کوانتومی بر رفتار ماکروسکوپی حاکم باشد.[1][7]

برای ثبت تصویر، تیم کمبریج به سرعت قدرت جفت‌شدگی بین حالت‌های اتم‌ها را تغییر داد. این کار لرزش کوانتومی میکروسکوپی را به یک سیگنال ماکروسکوپی و قابل اندازه‌گیری تقویت کرد، بدون اینکه حالت کوانتومی ظریف را از بین ببرد. هنگامی که آنها از اتم‌ها عکس گرفتند، تصویر حاصل یک الگوی متمایز از نوسانات را نشان داد که در فرکانس‌های بالاتر کاهش می‌یافت—دقیقاً مطابق با پیش‌بینی‌های ریاضی برای یک خلأ کوانتومی، و به وضوح متفاوت از نویز تصادفی گرمایی معمولی. آنها با موفقیت نامرئی را مرئی کردند.[1][4]

دومین پیشرفت، که در ۵ آگوست در نشریه نیچر منتشر شد، یک پیش‌بینی خاص را تأیید می‌کند که توسط ورنر هایزنبرگ و هانس اویلر در سال ۱۹۳۶ انجام شده بود. آنها نظریه‌پردازی کردند که اگر یک میدان مغناطیسی به اندازه کافی قوی باشد، ذرات مجازی در خلأ با نور عبوری برهم‌کنش خواهند داشت و باعث می‌شوند قطبش‌های مختلف نور با سرعت‌های متفاوتی حرکت کنند.

این اثر، که به عنوان دوشکستی خلاء (Vacuum Birefringence) شناخته می‌شود، اساساً به این معنی است که یک میدان مغناطیسی شدید می‌تواند به فضای خالی خواص نوری یک منشور یا یک کریستال را بدهد.[2][3][6]

تولید یک میدان مغناطیسی به اندازه کافی قوی برای آزمایش این پدیده روی زمین غیرممکن است، زیرا به شرایطی فراتر از توانایی‌های هر آزمایشگاه ساخت بشر نیاز دارد. بنابراین، یک تیم بین‌المللی از اخترشناسان به مگنتار 1E 1547.0−5408 روی آوردند، یک ستاره نوترونی فوق‌فشرده که در فاصله ۱۳,۰۰۰ سال نوری قرار دارد.

مگنتارها دارای میدان‌های مغناطیسی سطحی بیش از ۱۰ به توان ۱۴ گاوس هستند—صدها میلیون برابر قوی‌تر از هر میدان پایداری که تاکنون روی زمین ایجاد شده است. این ستارگان مرده مقادیر عظیمی از ماده را در یک شیء به اندازه یک شهر فشرده می‌کنند و آنها را به آزمایشگاه‌های طبیعی برای فیزیک‌های شدید تبدیل می‌کنند.[2][3]

محققان با استفاده از تلسکوپ کاوشگر قطبش‌سنجی پرتو ایکس تصویربرداری (IXPE) ناسا، مگنتار را برای بیش از ۱۴۰ ساعت رصد کردند. توانایی منحصر به فرد مأموریت IXPE در اندازه‌گیری قطبش پرتو ایکس برای آزمایش نظریه هایزنبرگ ضروری بود. داده‌ها نشان دادند که پرتوهای ایکس ساطع شده از ستاره به شدت قطبیده بودند—در برخی اندازه‌گیری‌ها تا ۸۰٪ می‌رسید.

این سیگنال متمایز، دقیقاً همان امضایی را ارائه داد که انتظار می‌رفت اگر نور از یک خلأ بسیار مغناطیسی و دوشکستی عبور کند. قدرت محض این قطبش بی‌سابقه بود و نمی‌توانست به راحتی توسط مدل‌های استاندارد اخترفیزیکی انتشار ستاره نوترونی توضیح داده شود.[3][5]

به گفته هوا دینگ تی، یکی از نویسندگان اصلی از دانشگاه رایس، و مارکوس لور از دانشگاه سوینبرن، تنها راه برای بازتولید این امضاهای قطبش پرتو ایکس خاص این است که خلأ اطراف ستاره نوترونی به طور فعال نور را فیلتر کند.

میدان مغناطیسی شدید، خلأ را مجبور می‌کند که دوشکستی شود و نور را هنگام عبور از فضای به ظاهر خالی، هم‌راستا کند. این یافته نشان می‌دهد که چگونه ستارگان نوترونی فیزیکدانان را قادر می‌سازند تا نظریه‌های بنیادی را در محیط‌هایی آزمایش کنند که در غیر این صورت کاملاً غیرقابل دسترس هستند.[2][5]

در حالی که هر دو یافته بسیار مهم هستند، شواهد محدودیت‌های خاصی دارند که محققان با احتیاط آنها را تأیید می‌کنند. آزمایش تصویربرداری کمبریج بر روی یک میدان کوانتومی آنالوگ انجام شد، نه خلأ واقعی فضا-زمان.

در حالی که میدان «سین-گوردون» (sine-Gordon) که آنها شبیه‌سازی کردند، از نظر ریاضی معادل میدان‌های نسبیتی است، اما همچنان یک مدل آزمایشگاهی ساخته شده از اتم‌های پتاسیم باقی می‌ماند. جهش از چگالش بوز-اینشتین به بافت بنیادی کیهان متکی بر این فرض است که این هم‌ارزی ریاضی در بسترهای فیزیکی کاملاً متفاوت به طور کامل برقرار باشد.[1][4]

به طور مشابه، مشاهده مگنتار یک استنتاج است که بر اساس مدل‌های پیچیده اخترفیزیکی ساخته شده است. تلسکوپ IXPE به معنای واقعی کلمه ندید که یک پرتو نور به دو قسمت تقسیم شود؛ بلکه داده‌های قطبش را ثبت کرد که بهتر از هر توضیح کلاسیک دیگری با مدل دوشکستی خلاء مطابقت دارد.

با این حال، مدل‌سازی محیط آشفته یک مگنتار شامل در نظر گرفتن فیزیک پلاسمای شدید است. در حالی که داده‌های رادیویی به حذف بخش زیادی از عدم قطعیت هندسی که ادعاهای قبلی را تضعیف می‌کرد، کمک کردند، برخی اثرات پلاسمای کلاسیک همچنان می‌توانند به طور نظری در سیگنال مشاهده شده نقش داشته باشند.[3]

در مجموع، این دو ستون شواهد—یکی از سردترین و کنترل‌شده‌ترین محیط روی زمین، و دیگری از یکی از خشن‌ترین اجرام در کهکشان—واقعیت خلأ کوانتومی را تثبیت می‌کنند. فضای خالی یک محیط فیزیکی، یک صحنه فعال و لرزان است که قوانین واقعیت را دیکته می‌کند. فیزیکدانان با توسعه ابزارهایی برای مشاهده عملکرد آن، دوران جدیدی را در درک ما از نحوه شکل‌گیری ماده مرئی و نحوه عملکرد جهان در بنیادی‌ترین سطح خود آغاز می‌کنند.[1][2]