شبیه سازی فرآیند کوانتومی که می تواند دنیا را به خاتمه برساند
به گزارش زرین گراف، تصور کنید در کنار دریاچه ای آرام ایستاده اید که سطح آن همانند آینه می درخشد و به نظر می رسد در پایدارترین حالت ممکن قرار گرفته است. اما اگر زیر این بستر، غاری عمیق تر و حوضچه ای ژرف تر پنهان شده باشد، تنها یک شکاف کوچک کافی است تا تمام دریاچه به درون آن کشیده کند.این تصویر، استعاره ای است از وضعیتی که فیزیکدانان آن را خلاء کاذب می نامند؛ وضعیتی که در آن دنیا ما ممکن است در یک تعادل ناپایدار و موقتی به سر ببرد. اگر تنها یک نقطه از فضا به حالتی با انرژی کمتر تغییر یابد، حبابی از نیستی با سرعت نور منبسط شده و تمام قوانین فیزیک را در مسیر خود بازنویسی می نماید. دانشمندان به تازگی در پژوهشی پیشگامانه، راهی برای مطالعه این فاجعه کیهانی در مقیاس آزمایشگاهی یافته اند تا با استفاده از نظریه فروپاشی خلاء کاذب، یکی از بزرگ ترین معماهای خلقت را آنالیز نمایند. این آزمایش نه برای سرانجام دادن به دنیا، بلکه برای یافتن پلی میان نسبیت عام و مکانیک کوانتومی طراحی شده است. درک این فرآیند به ما یاری می نماید تا بفهمیم آیا پایداری فعلی کیهان یک حقیقت ابدی است یا صرفاً آرامشی پیش از طوفانی که کل هستی را در چشم به هم زدنی دگرگون می نماید.
01
مرزهای لرزان پایداری کیهانی
اگرچه دنیا ما در ظاهر پایدار و پایدار به نظر می رسد، اما ممکن است این تنها یک شرایط موقتی از آرامشی دروغین باشد که در هر لحظه امکان فروپاشی آن وجود دارد. در فیزیک کلاسیک، خلاء را پایین ترین سطح انرژی دنیا در نظر می گیریم، جایی که هیچ چیز برای از دست دادن وجود ندارد. با این حال، در قلمرو فیزیک کوانتوم، این احتمال وجود دارد که حالتی با انرژی حتی کمتر و پایداری بیشتر از خلاء فعلی ما وجود داشته باشد. اگر بخشی از فضا به این حالت پایدارتر انتقال یابد، حباب حاصل از این گذار مانند یک بیماری واگیردار کیهانی با سرعت نور منبسط شده و دنیا را در خود می بلعد.
این فرآیند که با عنوان نظریه فروپاشی خلاء کاذب شناخته می گردد، یکی از هولناک ترین مفاهیم در فیزیک نظری است. اخیراً تیمی از فیزیکدانان به سرپرستی دانشگاه سینگهوا در چین، پیروز شده اند روشی را برای شبیه سازی این پدیده در محیط کنترل شده آزمایشگاهی ابداع نمایند. هدف آن ها از این کار، نابودی دنیا نیست، بلکه آنالیز یکی از نقاط تلاقی اصلی میان مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت است. این دو نظریه بزرگ فیزیک، با وجود پیروزیت های بی نظیر، هنوز با یکدیگر آشتی ننموده اند و فروپاشی خلاء کاذب دقیقاً در جایی رخ می دهد که هر دو نظریه باید به طور هم زمان جوابگو باشند.
02
تقابل فیزیک کلان و دنیا خرد
معادلات نسبیت اینشتین در توصیف نحوه عملکرد فیزیک در مقیاس های بزرگ و سرعت های بالا فوق العاده عمل می نمایند. از حرکت سیارات گرفته تا انحنای نور در نزدیکی سیاه چاله ها، همه تحت فرمان این نظریه هستند. اما وقتی وارد دنیای بی نهایت کوچک ها می شوید، یعنی همان قلمرو اتمی و زیراتمی، نسبیت دیگر ابزار مناسبی برای توصیف رفتار ذرات نیست. در اینجا، نظریه میدان های کوانتومی وارد میدان می گردد تا چگونگی تعامل ذرات و میدان ها را شرح دهد.
زمانی که هر یک از این دو نظریه در محدوده اختصاصی خود عمل می نمایند، مسئله ای پیش نمی آید، اما در شرایط بحرانی و رادیکال، این دو با هم تلاقی پیدا می نمایند و محاسبات به شدت پیچیده و آشفته می گردد. فیزیکدانان همواره در پی نقاطی هستند که این دو قلمرو با هم هم پوشانی دارند تا شاید بتوانند نظریه واحدی برای توصیف کل هستی بیابند. فروپاشی خلاء دقیقاً یکی از همین نقاط است؛ جایی که یک فرآیند کاملاً کوانتومی یعنی تونل زنی، پیامدهایی در ابعاد کیهانی و بر اساس قوانین نسبیت به همراه دارد.
03
استعاره دریاچه و حوضچه های انرژی
یکی از پیش بینی های نظریه میدان های کوانتومی این است که چیزی به نام خلاء کامل و مطلق وجود ندارد. آنچه ما فضای تهی می نامیم، در واقع پایین ترین سطح انرژی یک میدان کوانتومی است. اگر منظر انرژی یک میدان دارای چندین کمینه محلی یا نقاط پست باشد، این نقاط همان خلاءهای کاذب هستند که پتانسیل گذار به یک خلاء حقیقی یعنی حالتی با انرژی حتی کمتر را دارند.
چشم انداز ای را تصور کنید که دارای چندین دریاچه در ارتفاعات مختلف است. بعضی از این دریاچه ها عمیق تر از بقیه هستند، اما در جایی زیر تمام آن ها، یک حوضچه بسیار عمیق تر و وسیع تر وجود دارد. اگر تونلی در کف یکی از این دریاچه های بالایی باز گردد، آب به درون آن حوضچه عمیق سرازیر خواهد شد. در فضای کیهانی، اگر چنین اتفاقی بیفتد، موضوع به تخلیه ساده محدود نمی گردد. به محض اینکه حباب ایجاد شده به میزان بحرانی برسد، با سرعتی نزدیک به سرعت نور منبسط شده و هر چیزی را که لمس کند، به حالت انرژی تازه تبدیل می نماید و عملاً ساختار واقعیت را تغییر می دهد.
04
اتم های ریدبرگ؛ بازیگران شبیه سازی کیهانی
محققان برای شبیه سازی این پدیده، از دستکاری مستقیم فضای خلاء استفاده نکردند، بلکه از سیستمی جایگزین بهره بردند: حلقه ای از اتم های ریدبرگ. در یک اتم معمولی، هسته ای وجود دارد که به وسیله ابری از الکترون ها احاطه شده است. با افزودن اندکی انرژی، این ابر کمی منبسط می گردد. اما اتم ریدبرگ زمانی شکل می گیرد که انرژی بسیار زیادی به اتم تزریق گردد، به طوری که الکترون ها در دورترین فاصله ممکن از هسته قرار گیرند بدون آنکه از آن جدا شوند.
این اتم ها به علت ساختار پف نموده و سست خود، رفتارهای اغراق آمیزی از خود نشان می دهند که آن ها را برای آزمایش های حساس فیزیک کوانتومی ایده آل می نماید. پژوهشگران تعدادی زوج از این اتم ها را که نسبت به هم دافعه داشتند، در یک حلقه چیدند. در این آرایش، هر اتم تمایل دارد در جهتی مخالف اتم های مجاور خود قرار گیرد که منجر به ایجاد یک الگوی متقارن و متناوب می گردد. سپس با استفاده از لیزر، این تقارن را شکستند تا سیستم بتواند در دو الگوی متفاوت با انرژی های کمی متفاوت قرار بگیرد؛ یکی نماینده خلاء کاذب و دیگری نماینده خلاء حقیقی.
05
جوانه زدن حباب های نیستی در آزمایشگاه
این حلقه اتمی که در شرایط آشفتگی قرار گرفته بود، شروع به فروپاشی به سمت حالت پایه یا همان انرژی کمتر کرد. سرعت این فروپاشی به شدتِ لیزرِ شنماینده تقارن بستگی داشت. این مشاهده کاملاً با سازوکار پذیرفته شده ای که فروپاشی خلاء کاذب را راهنمایی می نماید، یعنی جوانه زدن یک حباب کوانتومی حاوی خلاء حقیقی، مطابقت دارد. هرچه شرایط برای تشکیل حباب مهیا تر باشد، احتمال وقوع این گذار و فروپاشی کل سیستم بیشتر می گردد.
اگرچه این آزمایش مستقیماً به ما نمی گوید که دنیا چه زمانی نابود می گردد، اما پیش بینی های نظری درباره چگونگی وقوع این فرآیند را تایید می نماید. سیستم اتم های ریدبرگ اکنون به عنوان یک زمین بازی تازه برای فیزیکدانان عمل می نماید تا در مرزهای برخورد فیزیک کوانتوم و نسبیت به تحقیق بپردازند. شاید روزی همین آزمایش ها به ما پاسخ دهند که چقدر باید نگران تغییر ناگهانی ماهیت دنیا باشیم و آیا خلاء زیر پای ما واقعاً محکم است یا تنها یک لایه نازک روی یک اقیانوس بی سرانجام از انرژی است.
06
پیشینه تاریخی و معمای پایداری بوزون هیگز
مفهوم فروپاشی خلاء کاذب ریشه در دهه های 1970 و 1980 میلادی دارد، زمانی که فیزیکدانانی همانند سیدنی کلمن به آنالیز امکان گذار فاز در میدان های کوانتومی پرداختند. اما این موضوع زمانی به تیتر اول رسانه ها تبدیل شد که ذره بوزون هیگز کشف شد. میزان دقیق جرم بوزون هیگز نشان داد که دنیا ما احتمالاً در یک شرایط نیمه پایدار (Metastable) واقع شده است. این یعنی میدان هیگز، که به تمام ذرات جرم می دهد، ممکن است در پایین ترین سطح انرژی ممکن نباشد.
تحلیل های ریاضی نشان می دهند که اگر جرم بوزون هیگز کمی متفاوت بود، دنیا ما یا تا به امروز فروپاشیده بود و یا برای همواره در پایداری مطلق باقی می ماند. این مرز باریک میان ثبات و نابودی، یکی از مجذوب کننده ترین مباحث فیزیک مدرن است. بعضی نظریه پردازان معتقدند که نوسانات کوانتومی در سیاهچاله ها یا رویدادهای پرانرژی کیهانی می توانند کاتالیزوری برای شروع این فرآیند باشند، هرچند محاسبات فعلی نشان می دهند که عمر تقریبی دنیا ما تا وقوع چنین رویدادی بسیار طولانی تر از عمر فعلی آن است.
07
پیامدهای فلسفی و علمی تغییر قوانین فیزیک
بزرگ ترین وحشت در خصوص نظریه فروپاشی خلاء کاذب این نیست که ما می میریم، بلکه این است که ماده به شکلی که می شناسیم دیگر نمی تواند وجود داشته باشد. در صورت وقوع این گذار، ثابت های فیزیکی مانند جرم پروتون یا شدت نیروهای هسته ای تغییر می نمایند. این یعنی اتم ها دیگر شکل نمی گیرند، ستاره ها از هم می پاشند و حیات در هر شکلی که تصور کنیم غیرممکن می گردد. این یک بازنویسی کامل از نرم افزار هستی است که روی سخت افزار فضا-زمان اجرا می گردد.
از نگاه علمی، مطالعه این پدیده به ما اجازه می دهد تا فرآیند تورم کیهانی را بهتر درک کنیم. بسیاری از فیزیکدانان بر این باورند که دنیا در لحظات اولیه پس از بیگ بنگ، یک گذار مشابه را تجربه نموده است که منجر به انبساط سریع و ناگهانی فضا شده است. بنابراین، شبیه سازی اتم های ریدبرگ نه تنها نگاهی به آینده احتمالی دنیا است، بلکه پنجره ای رو به گذشته دور و چگونگی شکل گیری قوانین فیزیکی فعلی ما نیز محسوب می گردد.
سوالات متداول
1. اگر فروپاشی خلاء کاذب همین حالا شروع گردد، آیا ما متوجه آن می شویم؟
خیر، به علت اینکه لبه حباب فروپاشی با سرعت نور حرکت می نماید، هیچ سیگنال یا نوری نمی تواند زودتر از خودِ فروپاشی به ما هشدار دهد. ما در یک لحظه وجود داریم و در لحظه بعد، پیش از آنکه مغز فرصت پردازش عصبی داشته باشد، سیستم عصبی و اتم های بدن ما متلاشی می شوند. این پدیده سریع ترین و بی پرواترین شکل انتها دنیا است که تا به امروز تصور شده است.
2. تفاوت میان خلاء کاذب و خلاء حقیقی در چیست؟
خلاء کاذب شرایطی است که در آن انرژی میدان در یک نقطه پست واقع شده است اما این نقطه، کمترین سطح انرژی ممکن در کل نمودار پتانسیل نیست. در مقابل، خلاء حقیقی به شرایطی اطلاق می گردد که سیستم به پایدارترین حالت انرژی دست یافته و دیگر تمایلی به تغییر شرایط ندارد. تفاوت این دو در پایداری است؛ یکی مانند توپی روی لبه پله و دیگری مانند توپی در گودی زمین است.
3. آیا آزمایش های برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) می توانند باعث فروپاشی خلاء شوند؟
محاسبات علمی نشان می دهند که انرژی های فراوری شده در این آزمایشگاه ها بسیار کمتر از آن چیزی است که برای تحریک چنین گذار فازی ضروری است. علاوه بر این، پرتوهای کیهانی که به طور طبیعی با جو زمین و دیگر سیارات برخورد می نمایند، انرژی هایی به مراتب بالاتر فراوری می نمایند. از آنجایی که دنیا در طول میلیاردها سال در برابر این پرتوها پایداری خود را حفظ نموده، جای نگرانی برای آزمایش های انسانی وجود ندارد.
4. بوزون هیگز چه نقشی در این نظریه ایفا می نماید؟
میدان هیگز مسئول جرم دار کردن ذرات بنیادی است و پایداری دنیا به شدت به جرم این بوزون وابسته است. جرم میزان گیری شده برای این ذره دقیقاً در محدوده ای واقع شده است که دنیا را در شرایط نیمه پایدار یا خلاء کاذب توصیف می نماید. اگر جرم این ذره کمی کمتر یا بیشتر بود، سرنوشت دنیا به کلی تغییر می کرد و ما شاهد ساختار فعلی کیهان نبودیم.
5. چرا از اتم های ریدبرگ برای این شبیه سازی استفاده شده است؟
اتم های ریدبرگ به علت فاصله زیاد الکترون هایشان از هسته، دارای گشتاور دو قطبی بسیار بزرگ و حساسیت بالایی به میدان های خارجی هستند. این ویژگی به دانشمندان اجازه می دهد تا تعاملات میان اتم ها را با دقت بسیار زیادی کنترل و دستکاری نمایند. در واقع این اتم ها مانند پیکسل های یک صفحه نمایش عمل می نمایند که می توان شرایط های پیچیده فیزیک کوانتوم را روی آن ها ترسیم کرد.
6. منظور از جوانه زدن حباب (Bubble Nucleation) در این فرآیند چیست؟
این فرآیند شبیه به تشکیل حباب های بخار در آب جوش است که از یک نقطه کوچک شروع شده و بزرگ می شوند. در نظریه کوانتومی، یک نوسان انرژی می تواند به طور تصادفی ناحیه کوچکی از خلاء حقیقی را در میان خلاء کاذب ایجاد کند. اگر این ناحیه یا همان حباب به میزان کافی بزرگ گردد، فشار داخلی آن بر کشش سطحی غلبه نموده و شروع به رشد انفجاری می نماید.
7. آیا تونل زنی کوانتومی تنها راه وقوع این فروپاشی است؟
در دمای صفر مطلق، تونل زنی کوانتومی تنها راه عبور از سد انرژی و رسیدن به حالت پایدارتر است. اما در دماهای بالا، نوسانات حرارتی نیز می توانند به سیستم یاری نمایند تا از روی سد انرژی عبور کند که به آن فعال سازی حرارتی می گویند. آزمایش اخیر دانشمندان چینی هر دو جنبه را در نظر گرفته تا درک کامل تری از مکانیسم های گذار فاز به دست آید.
8. این تحقیق چگونه به اتحاد نسبیت و کوانتوم یاری می نماید؟
فروپاشی خلاء پدیده ای است که در آن اثرات کوانتومی در ابعاد میکروسکوپی شروع شده اما نتایج آن در هندسه فضا-زمان که قلمرو نسبیت است ظاهر می گردد. با مشاهده دقیق این فرآیند در آزمایشگاه، فیزیکدانان می توانند مدل های ریاضی را آزمایش نمایند که سعی دارند هر دو جنبه را هم زمان توصیف نمایند. این کار گامی کوچک اما حیاتی به سوی رسیدن به نظریه همه چیز یا گرانش کوانتومی محسوب می گردد.
9. آیا ممکن است خلاء کاذب قبلاً در دنیا ما فروپاشیده باشد؟
بسیاری از کیهان شناسان معتقدند که در دوران تورم کیهانی، دنیا از یک شرایط خلاء با انرژی بالا به شرایط فعلی گذار نموده است. این فروپاشی اولیه باعث آزادسازی میزان عظیمی انرژی شد که ماده و تابش موجود در دنیا امروز را به وجود آورد. بنابراین، ما احتمالاً محصول یکی از همین فروپاشی های خلاء در گذشته های بسیار دور هستیم.
جمع بندی نهایی
پژوهش تازه روی اتم های ریدبرگ نشان داد که مرز میان ثبات ابدی و نابودی ناگهانی کیهان، نه در کهکشان های دوردست، بلکه در قلب قواعد حاکم بر میدان های کوانتومی نهفته است. شبیه سازی پیروزیت آمیز فروپاشی خلاء کاذب در آزمایشگاه، تایید کرد که دنیا ما ممکن است واقعاً در یک شرایط نیمه پایدار قرار داشته باشد که تحت شرایط خاص، قابلیت بازنویسی کامل را دارد. این یافته ها نه تنها درک ما را از سرنوشت نهایی کیهان عمیق تر می نمایند، بلکه ابزار نیرومندی برای پیوند دادن مکانیک کوانتومی و نسبیت عام در اختیار دانشمندان قرار می دهند. اگرچه ایده انتها ناگهانی دنیا ترسناک است، اما همین شنمایندگی ظاهری است که به فیزیکدانان اجازه می دهد تا با مطالعه نقاط بحرانی، به رازهای بنیادین خلقت و منشأ پایداری ماده پی ببرند.
منبع
دکتر علیرضا مجیدی
پزشک، نویسنده و بنیان گذار وبلاگ خبرنگاران
دکتر علیرضا مجیدی، نویسنده و بنیان گذار وبلاگ خبرنگاران .
با بیش از 20 سال نویسندگی ترکیبی مستمر در زمینهٔ پزشکی، فناوری، سینما، کتاب و فرهنگ.
باشد که با هم متفاوت بیاندیشیم!
دربارهٔ علیرضا مجیدی در خبرنگاران