خلاء چیست؟

اغلب اینگونه تصور می‌‌شود که خلاء مکانی یا فضایی است که در آن هیچ چیزی وجود ندارد. این تصور بسیار ساده و ابتدایی مخصوصا در ارتباط با مسائل بنیادین در فیزیک بسیار اشتباه و برای درک عمیق تر از بسیاری از بخش‌های کلیدی در فیزیک بی‌ تردید نیاز به یک تصور و فهم صحیح و دقیقی از خلاء است! در مکانیک کوانتومی، خلاء دیگر فقط «هیچ» نیست، بلکه مملو از «نوسانات خلاء»، «ذرات مجازی» و مواردی از این دست است. متأسفانه، این تفسیر ها نیز کاملاً صحیح نیستند، بلکه فقط تصاویر کوچکی از خلاء (اغلب کمی گیج کننده و حتی اشتباه) هستند. بدین روی در این پست سعی می کنم با جزئیات بیشتری توضیح دهم که خلاء چیست.

در ارتباط با خلاء برای درک بیشتر و عمیق تر از آن، باید به فرا روی فیزیک کلاسیک رفت که خلاء را صرفا یک فضایی خالی‌ از هر چیز توصیف می‌کند و در واقع باید در اینجا باری دیگر به مانند بسیاری از مسائل بنیادین در فیزیک به صورت کوانتومی فکر کرد! برای اینکه بتوان خلاء را بر اساس نظریه کوانتومی توصیف کرد، به نظریه میدان های کوانتومی نیاز است و بدین ترتیب خلاء در بنیادی‌ترین سطح توسط میدان‌های کوانتومی تشریح و توصیف می‌‌شود. در واقع خلاء باید به عنوان فضا و زمانی‌ در نظر گرفت که آن را میدان‌های کوانتومی تسخیر کرده ا‌ند. این میدان‌های کوانتومی میتوانند بر انگیختگی‌های گوناگونی داشته باشند، به این تغییر فرم‌ها در میدان اصطلاحا field configuration گفته می‌ شوند، هر یک از این اشکال ایجاد شده در میدان یک احتمالی‌ برای خود دارد. به عنوان مثال در عکس بالا می‌بینید که یک برانگیختگی میتواند احتمال ۵ درصدی، دیگری ۳ درصدی و دیگری ۰.۱ درصدی داشته باشد. بر انگیختگی‌های شدیدتر احتمال کمتری دارند، به این دلیل که از میدان باید به طور خود جوش انرژی بیشتر “استخراج” و مصرف بشود و این چیزی نیست که طبیعت آن را “دوست داشته” باشد، اما احتمال آن ولو هر چند کم، همچنان وجود دارد!

نکته کلیدی در مورد field configuration (پیکربندی‌های میدان) این است که اگر قصد دارید یک میدان کوانتومی را از دید ریاضی تشریح کنید باید تمامی این بر انگیختگی‌ها را به صورت همزمان در نظر بگیرید (به همچین عملیاتی در فیزیک برای دوستانی که کمی‌ آشنایی ممکن است داشته باشند) path integral formulation گفته می‌‌شود. به عبارت دیگر، باید تمامی برانگیختگی‌های ممکن (با هر درصد احتمال پدید و رویش در میدان) را در نظر گرفت! برای باز درک بهتر، وقتی‌ که یک صوتی را میشنوید، این صوت را میتوان به اجزای Fourier آن تجزیه کرد و برسی‌ کرد که چه فرکانسی چقدر و تا چه اندازه در این صوت حضور دارد (Fourier Spectral Analysis). در اینجا هم برای اینکه یک تصویر کلی‌ از شکل میدان در نهایت به دست آورید، باید این اجزای تفکیک شده (برانگیختگی‌های میدانی) را همه با هم در نظر بگیرید و جمع بزنید تا به “تصویر” نهایی میدان دست پیدا کنید! حال اگر تمامی configuration‌ های ممکن در یک میدان را با هم جمع بزنید، ارزش میدان (اندازه میدان) به طور میانگین برابر با صفر است. این را به طور خاص زمانی‌ می‌بینید، وقتی‌ که یک بار الکتریکی‌ را در خلاء قرار بدهید. بر این بار الکتریکی‌ از هر طرف نیروی یکسانی وارد می‌‌شود و بدین ترتیب مجموع نیرو‌های وارد آمده بر این بار، خود را خنثی میکنند و به صفر تنزل می‌‌دهند و بدین روی بر بار الکتریکی‌ گویی هیچ نیرویی وارد نمی‌‌شود و به سمت خاصی‌ سوق داده نمی‌شود! باز به عبارت دیگر این یعنی‌، خلاء از هر سوی و طرفی‌ که به آن “نگاه” می‌ کنید، یکسان است و به این اصطلاحا isotropy of vacuum گفته می‌‌شود! در اینجا باز تاکید می‌‌شود که همچین حالتی‌ به طور میانگین در خلاء پدیدار می‌‌شود!

بنابرین خلاء را میتوان به عنوان یک میدان کوانتومی که در آن آشوب و نوسان است در نظر گرفت، اما این آشوب‌ها و نوسانات بر خلاف باور عمومی‌ تابع زمان و فضا نیستند! در واقع در خلاء چیزی در حال تلاطم به مانند امواج دریا در حالت طوفانی نیست! این نکته بسیار مهم و کلیدی در فهم عمیق خلاء است! خلاء همیشه از نظر زمانی‌ و مکانی برای هر ناظری که یا در حالت سکون و یا با سرعت ثابت در حال سفر است، ثابت و بدون تغییر و بدین روی بدون هیچ حرکت یا داینامیکی است! در واقع با یک وضعیت کوانتومی Freeze شده، مواجه هستید.

اینها مهمترین خصوصیات خلاء هستند. خلاء یک ترکیب نسبتاً پیچیده از پیکربندی میدان های مختلف است، به طوری که آنهایی با انرژی بالا (طول موج کوتاه یا دامنه زیاد) فقط سهم کمی دارند، یعنی احتمال کمی دارند که پدید بیایند، در حالی که configuration های میدانی با انرژی های کمتر احتمال بیشتری دارد و همچین وضعیتی باعث ایجاد خلاء پایدار در کمترین سطح انرژی می‌‌شود! این در واقع ماهیت واقعی‌ خلاء است! با این حال، اگر کتاب های رایج فیزیک ذرات بنیادی یا موارد مشابه (مخصوصا آن دسته که غیر علمی‌ هستند) را بخوانید، معمولاً تعریفی‌ کاملا متفاوت از خلاء را می‌ بینید، با این مضمون که: خلاء مملو از نوسانات است که در آن «ذرات مجازی» دائماً از هیچ شکل می‌گیرند که برای لحظه‌ای پایستگی انرژی را نقض می‌کنند، زیرا اصل عدم قطعیت می گوید همچین چیزی مجاز است. چنین توضیحاتی زیبا و آسان هستند، اما در نهایت کم و بیش اشتباه هستند زیرا که فرضیه نسبیت را به عنوان مثال نقض میکنند! خلاء را تنها میتوان چه از نظر فیزیکی‌ و چه از نظر ریاضی به صورت consistent در قالب میدان‌های کوانتومی تشریح کرد و فهمید!