خلاء و ساختار آن
بحثی در بارهٔ «هیچ»*
|
تصویر ۱: تصویری در بارهٔ آزمایش معروف خلاء با ۱۶ اسب در ماگدبورگ، سال ۱۶۵۶(۱) |
Vacuum and its structure – a discussion about “Nothing”
* این مقاله اولین بار در تابستان ۱۳۷۸ در مجلهٔ گاهنامه شمارهٔ ۴، صفحات ۳۲ – ۳۸ منتشر شده است. اکنون همان مقالهٔ بازنگری‌شده با تغییراتی به خاطر اهمیت آن برای کیهان‌شناسی کوانتومی و شناخت از منشاء هستی و آکتوئل بودن محتوایش بازنشر می‌شود.
در آغاز مقاله‌ام چکیده‌ای به زبان‌های انگلیسی و آلمانی آمده است که در زیر تنها به ارائهٔ محتوای فارسی آن اکتفاء می‌کنم.
چکیده:
کیهان و منشاء آن سخت با ماهیت خلاء کوانتومی گره خورده است. پژوهش‌ها در این زمینه ما را از فیزیک کلاسیک به فیزیک ذرات بنیادی سوق می‌دهد. نوشتهٔ حاضر می‌کوشد مسئلهٔ توسعهٔ مفهوم خلاء را از گذشته‌های دور تا فهم امروزی آن و نتایج به‌دست‌آمده در طول زمان و یافته‌هایی نه چندان قطعی را به‌شکل فشرده توضیح دهد.
خلاء، به عکس تصور عموم مردم، هم در فیزیک کلاسیک و هم در فیزیک کوانتوم به‌عنوان چیزی قابل اندازه‌گیری با اثر و تأثیر متقابل درک می‌شود.
تعریف مدرن خلاء و ساختار آن در کنش و واکنش با نیروهای پایه‌ای فیزیک در نظریهٔ کوانتوم ارائه می‌گردد. با یاری این مفهوم بنیادی خلاء است که می‌توان برخی از پدیده‌های اساسی طبیعت را توصیف کرد، مانند ایجاد و نابودی ذرات. با این حال ما هنوز از گرانش کوانتومی، کیهان‌شناسی کوانتومی و کیهان کوانتومی که به نظر می‌رسد در رابطه با خلاء کوانتومی هستند، اطلاع دقیقی نداریم.
محدودیتهای طبیعی و غیرطبیعی
فکر ما عمدتاً حاصل تجارب روزمره است. بر اثر این تجارب چنان با آن‌ها اُنس می‌گیریم که تبدیل به نوعی عادت می‌شود. عادت در مواردی حُسن خود را دارد. اما لازم است جنب این بخش مثبت به روی دیگر آن که پرسش‌گری را تضعیف می‌کند توجه داشته باشیم. به این معنا که آگاه باشیم، عادت می‌تواند مانعی جدی برای تفکر نقادانه باشد. معمولاً سعی اولیهٔ ما در برخورد با پدیده‌های نو به نحوی‌ست که ابتدا می‌کوشیم آن‌ها را به «زبان عادت» ترجمه کنیم و با این دید و فهم آن‌ها را ارزیابی نماییم. گویی، دانستنی‌های ذخیره‌شده و محدود، دانستنی‌های نو را نیز شامل می‌شود. ولیکن وقتی با مقاومت و تضاد انکارناپذیری روبه‌رو می‌شویم، به ناچار راهی جز تجدید نظر در برداشت‌ها برایمان باقی نمی‌ماند و با دانستنی‌های نو به نحوی کنار می‌آییم و بدین ترتیب دایرهٔ عادت (تجربه و اطلاعات) خود را کمی گسترش می‌دهیم. تجربه نشان داده است که در یک چنین عرصه‌ای ما با محدودیت‌هایی مواجه هستیم و لازم است آن‌ها را همواره مد نظر داشته باشیم: محدودیتهای طبیعی (اصولی) و محدودیتهای غیرطبیعی (غیراصولی). محدودیتهای اصولی شامل ساختار بیولوژیکی انسان، طبیعت و محیط از پیش ساختهٔ او می‌شود. برای مثال ما قادر نیستیم چهاربُعدی فکر کنیم و یا با حواس پنج‌گانه‌مان پدیده‌هایی را بلاواسطه ببینیم و یا حس کنیم. محدودیتهای غیراصولی، شامل توانایی، اراده و پشتکار، درجهٔ اطلاعات، تجارب و حدود دانش عصری، که در آن زندگی می‌کنیم، می‌شود. بی‌شک محدودیت‌هایی از این نوع، یعنی محدودیتهای غیرطبیعی را می‌توان با تلاش و جستجوی راه‌های مناسب به عقب راند، به عبارت دیگر، توانایی خود را توسعه داد و تقویت نمود. و این امری‌ست ضروری برای فهم مطالب علوم جدید از جمله موضوع پیش‌رو.
پیش‌گفتار
علم فیزیک با اندازه‌گیری سروکار دارد. آن‌چه اصولاً قابل اندازه‌گیری نیست جایی در علم فیزیک ندارد. بنا بر این وقتی ما «هیچ» را در فیزیک مورد بررسی قرار می‌دهیم به معنی آن‌ست که «هیچ» هیچ نیست. «هیچ» واقعی آن‌ست که از آن هیچ‌گونه اطلاعی (انفورماسیونی) دریافت نکنیم، یعنی چیزی برای اندازه‌گیری وجود نداشته باشد. وقتی هیچ بدون انفورماسیون (بدون اظهار وجود) باشد، معنی خود را برای بررسی علمی تماماً از دست می‌دهد. بنا بر این منظور ما در علم فیزیک از «هیچ»، چیزی به نام خلاء است که قادریم از آن اطلاعاتی به دست آوریم. در اصل پدیده‌ها و قوانین طبیعی نه تنها در رابطهٔ مستقیم با خلاء هستند، بلکه جملگی حاصل از خلاء می‌باشند. از این رو شناخت از خلاء یکی از کارهای مهم علمی است. در واقع خلاء نوعی زیربنای آن‌چه مشاهده می‌شود، است. با تغییر خلاء و ساختار آن، دنیای دیگری به وجود می‌آید که می‌تواند با دنیای پیشین متفاوت باشد. خلاء (فیزیکی) آن چیزی است که از آن ساختار و وقایع فیزیکی به شکلی که مشاهده می‌نماییم، به وقوع می‌پیوندند. البته این آن تعریفی نیست که معمولاً در کتاب‌های درسی ارائه می‌شود. در آن‌جا تحت عنوان خلاء مکانیکی فهمیده می‌شود که در هر سانیمتر مکعب آن کمتر از یک میلیارد ذره و فشاری پایین‌تر از ده میلیونیوم پاسکال باشد.(۱)
خلاء کلاسیک
نگاهی کوتاه به تاریخ خلاء(۲) به خوبی نشان می‌دهد انسان از زمان‌های دور به مسئلهٔ «هیچ» آگاه بوده و با تلاش خود تا به امروز درصدد روشن کردن ماهیت و عمل‌کرد آن است.
۲۵۰۰ سال پیش پارمِنید (Parmenides) این نظریه را ترویج می‌کرد که «هیچ» برای تشریح جهان لازم نیست. ۴۵۰ سال (ق. م.) اِمپِدُکل (Empedokles) با این هدف آزمایش‌هایی را تشریح می‌کرد که طبیعت تولید خلاء (بزرگ) را قبول نمی‌کند. در حالی که دموکریت(Demokrit) ۴۰۰ سال (ق. م.) بر این نظر بود که کل ماده از اجزاء غیرقابل‌تقسیم تشکیل شده که مدام در حال نوسان در خلاء (کوچک) هستند. و بالاخره ارسطو (Aristoteles) ۳۵۰ سال (ق. م.)، جهان را پر از ۴ عنصر و اِتر (خلاء بزرگ) می‌دید. در قرن هفدهم آزمایش‌های جالبی در رابطه با خلاء انجام گرفت که از مشهورترین آن‌ها ایجاد خلاء (تصویر ۲) از جانب تُریچلی(۳) (Torricelli) و جدا کردن دو نیم‌کرهٔ «خالی»، اتو فون گُریکه (Otto von Guericke) (تصویر ۱) درشهر ماگدبورگ (آلمان) توسط ۱۶ اسب می‌باشد.(۴) خلاء به معنای کلاسیک تا نیمهٔ قرن بیستم متداول بود و هنوز هم در تکنیک هم‌چنان به اعتبار خود باقی‌ست.
| تصویر ۲: آزمایش تُریچلی (Torricelli) برای نمایش خلاء(۲) |
خلاء کوانتومی
حال تصور کنیم می‌توان از فضایی مانند فضای کرهٔ گُریکه همهٔ ذرات داخل آن را تخلیه کرد به شکلی که حتی یک اتم در آن باقی نماند. در این صورت آیا این واقعاً بدان معناست که دیگر در داخل کرهٔ گریکه هیچ چیزی نیست؟
برای پاسخ به این پرسش لازم است یکی از نتایج مهم نظریهٔ نسبیت خاص(۵) را در نظر بگیریم که می‌گوید: جرم (m) و انرژی (energy) باهم رابطه‌ای به شکل E = m c2 دارند. یعنی، انرژی برابر است با جرم ضرب در سرعت نور (c) به توان دو. به عبارت دیگر، جرم را می‌توان به انرژی و انرژی را به جرم تبدیل کرد. بنا بر این، پاسخ به پرسش ذکر شده میباید منفی باشد، زیرا حتماً در آن کره انرژی (میدان) الکترومغناطیسی و یا حداقل میدان (انرژی) گرانشی وجود دارد. میدان یا انرژی‌ای که از ذرات فوتونها (ذرات نیرو یا میدان الکترومغناطیسی) و یا گراویتون‌ها (ذرات فرضی نیرو یا میدان گرانشی) ساخته شده‌اند. در این‌صورت پرسش خود را کامل‌تر کرده و به شکل زیر طرح می‌کنیم:
تا چه اندازه‌ای می‌توان انرژی کرهٔ مربوطه را تخلیه کرد و آن را خالی از ذراتِ میدان‌ها دانست؟ آیا یک حداقل اندازهٔ انرژی برای این ذرات وجود دارد؟ یعنی، آیا طبیعت مرزی برای کوچک‌ترین انرژی (تصویر۳) قائل است؟
| تصویر ۳: حداقل انرژی برای یک ذرهٔ کلاسیک در چاه پتانسیل، صفر (بی‌حرکت) و برای ذرهٔ کوانتومی بزرگ‌تر از صفر (در نوسان) |
پاسخ به این پرسش بحث را از دامنهٔ فیزیک کلاسیک به سوی فیزیک کوانتوم سوق می‌دهد. فیزیک کوانتوم از جمله می‌گوید: هیچ ذرهٔ بنیادی وجود ندارد که بدون یک حداقل حرکت (نوسان) باشد.(۶) به این ترتیب «سکون» مفهومی است از فیزیک نیوتنی که در فیزیک کوانتوم اساساً بی‌معناست (تصویر ۳). به بیان دیگر، هر ذرهٔ کوانتومی برخوردار از یک حداقل حرکت (نوسان) (تصویر ۴) و در نتیجه یک حداقل انرژی است.
| تصویر ۴: تجسم سه‌بعدی نوسانات کوانتومی |
بدین ترتیب ذرات کوانتومی همواره در کم‌ترین حالت انرژی نیز در نوسان هستند. اصل عدم قطعیت(۷) (هایزنبرگ) می‌گوید: اگر بخواهیم برای مثال انرژی یک ذرهٔ بنیادی را به طور دقیق اندازه‌گیری کنیم، زمان لازم برای سنجش آن بی‌نهایت است. اما اگر فقط مدت زمان معینی را صرف اندازه‌گیری کنیم، در این‌صورت مقدار دقیق آن را نمی‌توانیم به دست آوریم. حال با علم به این اطلاعات می‌توانیم تعریفی از خلاء ارائه دهیم(۲): مکان (ذرهٔ) معینی که در حد متوسط (زمانی) حداقل انرژی ممکنه را دارد، در حالت خلاء است. در نتیجه در مقایسه‌ی دو خلاء باهم (تصویر ۵) آن یک که مقدارِ انرژی کمتر دارد، خلاء «واقعی‌تر» از دیگری که انرژی بیشتر دارد محسوب می‌شود.
| تصویر ۵: مینیموم انرژی دو خلاء در مقایسه باهم |
مقایسهٔ دو خلاء در انرژی‌های مختلف یادآور دو شئ با ویژگی‌های متفاوت است که هر دو از یک عنصر شیمیایی، از عنصر کربن، بنا شده‌اند، یعنی الماس و ذغال. اختلاف اصلی این دو با هم به مقدار انرژی نهفته در ساختار آن‌ها برمی‌گردد. اگر بتوانیم انرژی نهفته در ساختار منظم الماس را از آن خارج کنیم، در این‌صورت شئ‌ای که با انرژی به مراتب کم‌تری حاصل‌مان می‌شود، چیزی نیست جز ذغال.
مثال دیگر: یک قطعه دینامیت را می‌توان در گوشه‌ای از اتاق قرار داد بی‌آن‌که بیم انفجار خود به‌خودی آن باشد. اما اگر شعله‌ای به آن برسد، یک‌جا منفجر می‌شود و در حین تبدیل شدن به خاکستر با انرژی پایین‌تر، انرژی نهفته در دینامیت آزاد می‌شود.
مشابه دو مثال ذکر شده می‌تواند برای یک خلاء با انرژی بالاتر رخ دهد. نکته‌ای که در این رابطه شایان توجه است این‌ست که با تغییر انرژی خلاء، کمیت‌های فیزیکی تغییر می‌کنند. برای مثال سرعت نور در کیهان ما متناسب با خلاء آن است و می‌تواند در کیهانی با خلاء متفاوت از خلاء کیهان ما کوچک‌تر و یا بزرگ‌تر باشد.
ساختار خلاء کوانتومی
حال پس از این توضیحات کلی در بارهٔ خلاء می‌خواهیم بدانیم چه نوع خلاء و با چه ساختارهایی وجود دارد. پیش از پرداختن به این مهم لازم است کوتاه اشاره‌ای به چهار نیروی اساسی که تا کنون در طبیعت شناسایی کرده‌ایم و هر یک عمل‌کرد خاص خود را در لایه‌های مختلف آن دارند، داشته باشیم. این نیروها عبارتند از: نیروی گرانشی، نیروی الکترومغناطیسی، نیروی ضعیف و نیروی قوی. چنان‌چه قدرت نیروی قوی را که مسئول «به‌هم‌چسبانی» ذرات هستهٔ اتم است، برابر با ۱ بدانیم، در این‌صورت قدرت نسبی سه نیروی دیگر برابر است با ۲–۱۰ برای نیروی الکترومغناطیسی، ۱۳–۱۰ برای نیروی ضعیف و ۳۸–۱۰ برای نیروی گرانشی. ملاحظه می‌کنیم که نیروی گرانشی، نیرویی که در سطح کیهانی تعیین کننده‌ترین نیروست، حتا در مقایسه با نیروی ضعیف که از جمله مسئول فروافت ذرهٔ نوترون می‌باشد، تا چه اندازه کوچک است.
ایجاد وحدت بین این نیروها آرزوی دیرینهٔ فیزیک‌دان‌هاست. زیرا به نظر می‌رسد در این‌صورت است که می‌توان به پرسش‌های اساسی مطرح در علم فیزیک پاسخ داد. افزون بر این، تاریخ علم نشان داده است که از طریق وحدت نیروها می‌توان به افق‌هایی دست یافت که پیش‌تر قابل تصور نبودند. برای مثال وحدت بین نیروی الکتریسته و نیروی مغناطیسم به نیروی الکترومغناطیسم در پایان قرن نوزدهم منجر به پیشرفت‌های غیرقابل تصور و پیش‌بینی در عرصه‌های مختلف علمی ـ فنی گردید.
در زیر می‌خواهیم ساختار خلاءِ هر یک از ۴ نیروی نام‌برده را به اختصار بیان داریم. ما این خواست را با نیرویی شروع می‌کنیم که بیشتر شناخته شده است، یعنی نیروی الکترومغناطیسم. بنا بر توافق، ذرهٔ الکترون با بار الکتریکی منفی و ذرهٔ پروتون با بار الکتریکی مثبت تصور می‌شود. ما می‌دانیم که مقدارِ نیرو بین الکترون و پروتون برای مثال در یک اتم هیدروژن قابل محاسبه و اندازه‌گیری است. این نیرو متناسب با تعداد ذرات الکترون در مدار اتم و ذرات پروتون در هستهٔ اتم، یعنی در عناصر شیمیایی سنگین‌تر از عنصر هیدروژن، تغییر می‌کند. برای مثال یک الکترون در اتم هیدروژن با یک چهارم آن نیرویی به هستهٔ خود با یک پروتون وابسته است که یک الکترون در یک اتم هلیوم با دو پروتون در هسته. اگر دقیق‌تر نگاه کنیم، خواهیم دید که این نسبت کمی بیشتر از چهار برابر است. به این دلیل که بار الکتریکی هستهٔ اتم، در خلاء اطراف، قطبش ایجاد می‌کند (خلاء اطراف را قطبیده (polarized) می‌کند). در نتیجه نیروی بین الکترون مدار و هستهٔ اتم کمی افزایش می‌یابد. این که این قطبیدگی چگونه شکل می‌گیرد و چه معنایی دارد، مطلبی است که پل دیراک (Paul Dirac) فیزیک- و ریاضی‌دان انگلیسی (۱۹۸۴ـ۱۹۰۲) و یکی از پایه‌گذاران فیزیک کوانتوم با ایجاد وحدت میان نظریهٔ نسبیت خاص اینشتین و نظریهٔ کوانتوم و ارائهٔ معادله‌ای معروف به معادلهٔ دیراک در سال ۱۹۲۸ موفق به توضیح آن شد.(۸) معادلهٔ دیراک ویژگی‌هایی را در حرکت الکترون‌ها با سرعت نزدیک به سرعت نور آشکار می‌کند که در سرعت‌های پایین مشاهده نمی‌شوند.
ما می‌دانیم، به عکس تصور فیزیک کلاسیک (الکترودینامیک کلاسیک)، الکترونهای یک اتم نمی‌توانند بنا بر نظریهٔ کوانتوم (الکترودینامیک کوانتومی) به هستهٔ اتم سقوط کنند. بی‌شک این امری‌ست ضروری برای ثبات اتم‌ها. با این حال معادلهٔ دیراک نشان می‌دهد که الکترونهای کم‌انرژی و با انرژی منفی به هستهٔ اتم وابسته (مقید) هستند. دیراک بعدها این حالت‌ها را به‌عنوان حالت‌های پادذرات (antiparticle) تعبیر کرد. در واقع قطبش خلاء حاصل از هم‌گرانشی بار الکتریکی هستهٔ اتم با پادذرات است که بر اثر آن یک نوع جابه‌جایی برای الکترونهای اتم و پوزیترون‌ها شکل می‌گیرد. به این معناء که الکترون‌ها به سوی هستهٔ اتم کشیده و پوزیترون‌ها از آن دور می‌شوند.
«در نظریهٔ میدان کوانتومی، به طور خاص در الکترودینامیک کوانتومی، قطبش خلاء فرایندی را توصیف می‌کند که در آن میدان الکترومغناطیسسی پس‌زمینهٔ جفت‌های الکترون ـ پوزیترونِ مجازی تولید می‌کند و توزیع این بارها جریان‌هایی را که در میدان الکترومغناطیسی تولید شده‌اند تغییر می‌دهند.
اثر قطبش خلاء، قبل از سال ۱۹۴۷ مشاهده شده بود. شتاب‌دهندهٔ ذرات تریستان در ژاپن در سال ۱۹۹۷ به شکل تجربی قطبش خلاء را تایید نمود.
طبق نظریهٔ میدان کوانتومی، خلاء میان ذرات در حال برهم‌کنش را نمی‌توان خالی پنداشت، بلکه شامل جفت‌های مجازی ذره – پادذره با طول عمر کوتاه می‌شود که از خلاء و انرژی که توسط نسخه زمان – انرژی اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، محدود در زمان است، دانست. پس از گذشت زمان محدود، که البته هرچه انرژی بیشتر باشد، کوتاه‌تر خواهد بود، یک‌دیگر را نابود می‌کنند.
این جفت‌های ذره – پادذره حامل انواع مختلف از بار هستند. برای مثال اگر این جفت ذرات مجازی کوارک و گلوئون باشند که در نظریهٔ کرومودینامیک کوانتومی تشریح می‌شوند، دارای بار رنگ خواهند بود و اگر مثلاً از لپتون‌ها و کوارک‌های باردار تشکیل شده باشند، دارای بار الکترومغناطیسی خواهند بود. این ذرات باردار به‌عنوان یک دوقطبی الکتریکی عمل می‌کنند. در حضور میدان الکتریکی مانند میدان الکترومغناطیسی اطراف الکترون، این جفت ذرات مجازی ذره – پادذره موقعیت خود را تغییر می‌دهند و به صورت جزئی، علیه میدان عمل می‌کنند. در نتیجه شدت میدان کمی ضعیف‌تر از آن چیزی است که در صورت خالی بودن خلاء می‌بایست باشد. این تغییر جهت‌گیری جفت‌های پادذره با عمر کوتاه را «قطبش خلاء» می‌نامند.»(۱۲)
شاید سخن از انرژی منفی گفتن کمی عجیب به نظر آید. اما با اندک دقت به آن‌چه از نظریهٔ نسبیت(۵) می‌شناسیم، یعنی بیان انرژی در این نظریه E = ملاحظه می‌کنیم که در مخرجِ عبارت مربوطه، ریشه (جذر دو) وجود دارد. عددی که از جذر دو حاصل می‌گردد با علامت مثبت و منفی نشان داده می‌شود. یعنی، انرژی می‌تواند هم مثبت و هم منفی باشد. و این در حالی‌ست که انرژی در فیزیک کلاسیک فقط مثبت در نظر گرفته شده است. عمدتاً به این خاطر که در این‌جا برهم‌کنشی‌های کوانتومی محسوس نیستند. به عبارت دیگر، در دنیای کلاسیک از دو بخش انرژی (مثبت و منفی) تنها بخش مثبت آن به حساب می‌آید. در حالی که در دنیای اتم‌ها و زیر(مادون)اتم‌ها هر دو بخش آن مطرح است. در نظریهٔ کوانتوم همچنین امکان عبور و یا جهش از بخش مثبت انرژی به بخش منفی و به عکس وجود دارد. در نتیجه میباید انرژی منفی و انرژی مثبت را هم‌ارز دانست. ما در نظریهٔ کوانتوم شاهد ذراتی با بار الکتریکی مثبت و منفی هستیم و اکثر ذرات با تقارن در بار الکتریکی پادذرات خود را دارند، مانند ذرهٔ الکترون e- و پادذرهٔ آن به نام پوزیترون e+. در صورت برخورد این دو ذره با هم هر دوی آن‌ها در لحظه نابود شده و به انرژی الکترومغناطیسی (به ذرات فوتون) تبدیل می‌شوند. عکس این پروسه نیز صادق است، یعنی از انرژی الکترومغناطیسی می‌توانند الکترون و پوزیترون به وجود آیند. به طور کلی، انرژی در دنیای میکروسکوپی به شکل مثبت، منفی، ناپیوسته و کوانتومی در نظر گرفته می‌شود. از این رو، یک الکترون e می‌تواند از بخش انرژی مثبت (جهش‌وار) وارد بخش انرژی منفی شود و به عکس یک پوزیترون e+ از بخش منفی به سوی بخش انرژی مثبت حرکت کند و یا در برخورد با هم به امواج الکترومغناطیسی γ تبدیل شوند (تصاویر ۶ و ۷).
| تصویر ۶: برهم‌کنشی میان الکترون، پوزیترون و فوتون(۶) تصویر ۷: نابودی الکترون با پوزیترون. پس از نابودی دو فوتون باقی می‌ماند.(۷) |
شکل‌گیری ذرات و پادذرات تنها در ناحیهٔ هستهٔ اتم‌ها ملاحظه نمی‌شود، بلکه همچنین در میدان الکتریکی ثابت و یک‌نواخت در خلاء معمولی نیز قابل مشاهده است. مقدار انرژی لازم برای تولید یک جفت الکترون – پوزیترون حدوداً مساوی دو برابر انرژی یک الکترون در حالت «سکون» است.
گفتیم که نیروی (میدان) الکترومغناطیسی از ذراتی به نام فوتونها تشکیل شده است. از ویژگی‌های فوتونها می‌توان ایجاد قطبش در خلاء و سرعت حرکت آن‌ها که همانا سرعت نور است نام برد. اندازه‌ء سرعت نور اما متأثر از برهم‌کنشی ذرات فوتونها با خلاء اطراف است (تصویر۸).
| تصویر۸: فوتونِ «واقعی» تمامی پدیده‌های قطبیدگی خلاء را در خود نهفته دارد. |
مفهوم حرکت: در این‌جا مایلم تعریفی از مفهوم حرکت ارائه کنم که در نسخه‌ٔ اولیهٔ این مقاله از سال ۱۳۷۸ ذکر نشده است. تعریف بنیادی مفهوم حرکت: حرکت پروسه‌ای‌ست از ایجاد و نابودی پی‌درپی ذرات و پادذرات از انرژی.
حال پس از این آشنایی اولیه با خلاء نیروی الکترومغناطیسی می‌پردازیم به خلاء نیروی قوی. این نیرو مانند نیروی الکترومغناطیسی بین دو ذرهٔ باردار به وجود می‌آید. ما می‌دانیم که فوتونها ذراتی خنثی، یعنی فارغ از بار الکتریکی هستند. به همین دلیل در تبدیل آن‌ها به ذرات دو ذره یکی با بار الکتریکی منفی (الکترون) و دیگری با بار الکتریکی مثبت (پوزیترون) شکل می‌گیرد. در مقابل، ذرات تشکیل‌دهندهٔ نیروی (میدان) قوی، یعنی گلئون‌ها (Gloun؛ glue به معنای چسب)، در ضمن این که خود به اصطلاح «رنگ‌دار» هستند، میانجی‌گر بین دو ذرهٔ «رنگ‌دار» نیز می‌باشند. می‌توان چنین گفت که گلوئونها «فوتون‌های» نیروی قوی هستند و بین کوارک‌ها (ذرات بنیادی‌ای که با ترکیب خود اجزای هستهٔ اتم از جمله پروتون و نوترون را تشکیل می‌دهند) مبادله می‌شوند تا آن‌ها را به هم پیوند دهند. گلوئونها می‌توانند مانند فوتونها با سرعت نور حرکت کنند. اما به دلیل برهم‌کنشی قوی بین خود سریع به گردهم جمع می‌شوند.
تفاوت بین خلاء نیروی الکترومغناطیسی و خلاء نیروی قوی خود را در شکل قوانینی متفاوت در علم فیزیک نشان می‌دهد. به بیان دیگر، قوانین طبیعی متأثر از حالت‌های مختلف خلاء هستند. به همین دلیل قوانین این دو خلاء در دو بخش نظری مربوط به نیروی الکترومغناطیسی و نیروی قوی بررسی می‌شوند: اولی در نظریهٔ کوانتوم الکترودینامیک و دومی در نظریهٔ کوانتوم کرومودینامیک.
با اکتفاء به این توضیح کوتاه در بارهٔ خلاء نیروی قوی، می‌پردازیم به خلاء نیروی ضعیف. برهم‌کنشی این نیرو با ذراتی به نام بوزون‌های میانی(۹) (intermediate Bosons) صورت می‌گیرد که شباهت زیادی به برهم‌کنشی فوتونها برای نیروی الکترومغناطیسی و گلوئونها برای نیروی قوی دارند بوزون‌های میانی در اوایل نیمهٔ دوم قرن بیستم در شتاب‌دهندهٔ سرن (CERN) کشف شدند. بوزون‌ها بر خلاف فوتونها و گلوئونها دارای جرم هستند، حدود صد برابر جرم پروتون. نظریهٔ برهم‌کنشی نیروی ضعیف شباهت زیادی به نظریهٔ برهم‌کنشی فوتونها و گلوئونها دارد. به همین دلیل فیزیک‌دان‌ها بر این باورند که جرم بوزون‌ها ناشی از قطبش خلاء می‌باشد. یعنی، جرم ذرات تابع نوع خلاء است.(۱۰) در نتیجه می‌توان تصور کرد جرم یک ذره در یک خلاء کوچک و در خلاء دیگر بزرگ و یا بدون جرم ساکن باشد. مطلبی که چندان هم شگفت‌انگیز نیست. برای مثال ذرهٔ فوتون در یک جسم جامد دارای جرمی به نام جرم مؤثر (effective mass) است. علت این امر آن‌ست که فوتون، جسم جامد را در حین حرکت قطبیده می‌کند و اگر آن جسم شرایط لازمه را دارا باشد، در بار قطبیدگی که فوتون آن را با خود حمل می‌کند به شکلی است که به نظر می‌آید فوتون دارای جرم (ظاهری) است. این پدیده را می‌توان در اندازهٔ فاصلهٔ طی‌شده مشاهده کرد. چراکه می٬دانیم طول فاصلهٔ طی‌شده‌ٔ هر ذره با جرم آن نسبت معکوس دارد.
در پایان لازم است نامی هم از خلاء نیروی گرانشی به میان آوریم. برهم‌کنشی خلاء گرانشی با ذرات فرضی به نام گراویتون‌ها (gravitons)، ذرات تشکیل‌دهندهٔ میدان (نیروی) گرانشی، تصور می‌شود.به خاطر ناروشنی‌های فراوان در بارهٔ خلاء گرانشی از جمله این‌که این نیرو تاکنون کوانتیزه نشده است، دانش ما در بارهٔ آن به مراتب کمتر از سه خلاء کوانتیزه و ذکر شده در بالاست.
پسگفتار
شواهد علمی نشان از کیهانی دارند که در آغاز بسیار کوچک و احیاناً به صورت خلاء کوانتومی بوده و با «تلنگری» که برایمان ناشناخته می‌باشد شروع به انبساط کرده است. و در مراحل آغازین، ذرات کوارک و در ادامه از این‌ها هستهٔ اتم‌ها، اتم‌ها، ستارگان و کهکشان‌‌ها از جمله خورشید و کرهٔ آبی رنگ زیبای ما با موجودات گوناگون بر روی آن شکل گرفته‌اند.
به‌نظر شناخت از منشاء هستی به‌معنای شناخت از خلاء کوانتومی است. امکان دارد که توضیحات ارائه شده تنها بخش کوچکی از آن‌چه واقعاً هست، باشد. به این دلیل که برای مثال خواص دو بُعدی ذرهٔ الکترون متفاوت از خواص سه بُعدی آن‌ست. یک چنین حالتی می‌تواند در برداشت ما از خلاء نیز صدق کند. در این صورت امکان دارد که ما نتوانیم به خاطر ساختار بیولوژیکی خود، با دید سه‌بُعدی از فضا و جدا از بُعد زمان، و احتمالاً محدودیتهای دیگر به شناخت کامل از خلاء کوانتومی و با آن به منشاء کیهان دست‌یابیم، به ویژه، چنان‌چه با کیهانی درهم‌تنیده در شکلِ کیهانِ کوانتومی مواجه باشیم.
دکتر حسن بلوری
برلین، ۲۰۲۳٫۰۴٫۱۲
منابع
- Eder F. x.: Moderne Meßmethoden der Physik I, 3. Auflage, Verlag der Wissenschaften, Berlin 1968
- Rafelskie J.; Müller, B.: Die Struktur des Vakuums, Verlag Harri Deutsch, Thun 1985
- Simonnyi K.: Kulturgeschichte der Physik, Verlag Harri Deutsch, Thun 1990
- Hoppe E.: Otto von Guericke: Verlag otto Salle, Berlin 1927
- Einstein A.: Ann. Der Physik 17 (1905)
- Itzykson C.; Zuber J. B.: Quantum Field Theory, 3 rd. Printing, Mc Graw-Hill, Singapore 1987
- Heisenberg W.: The Physical Principles of Quantum Theory, The University of Chicago Press, Chicago 1030
- Dirac P.: The Principles of Quantum Mechanics, 4. Edition, Clarendon Press, Oxford 1958
- Cline D. B.,; Rubbia C.: Die Suche nach den Vektorbosonen, In: Teilchen, Felder und Symmetrien, 2. Auflage, Spektrum der Wissenschaften, Heidelberg 1985
- Linde A.: Elementarteilchen und inflationärer Kosmos, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1993
- Goenner H.: Einführung in die Kosmologie, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1994
- https://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%82%D8%B7%D8%A8%D8%B4_%D8%AE%D9%84%D8%A7%D8%A1
منابع تصویرها
- https://www.leifiphysik.de/mechanik/druck-und-auftrieb/aufgabe/der-versuch-von-guericke
- https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/entdeckung-des-luftdrucks
- https://de.wikipedia.org/wiki/Nullpunktsenergie#/media/Datei:Nullpunktenergie.png
- https://fa.wikipedia.org/wiki/%D9%86%D9%88%D8%B3%D8%A7%D9%86_%DA%A9%D9%88%D8%A7%D9%86%D8%AA%D9%88%D9%85%DB%8C
- https://anthrowiki.at/Vakuum#/media/Datei:Falsevacuum.svg
- https://de.wikipedia.org/wiki/Feynman-Diagramm
- https://en.wikipedia.org/wiki/Annihilation
