الفراغ الكمي وخرافة العدم

كتابة: ZIAD بالتعاون مع iThink
المصدر: منتدى الملحدين العرب
إذا ما استمرينا في افراغ حيّز ما من المادة والطاقة ألن نصل إلى فراغ تام أوعدم مطلق أو Zero-Energy ؟
الحس العام السليم ، يُخبرنا بأنه نعم  سنصل إلى العدم ، لكن تجيب الفيزياء الكمومية على هذا السؤال بـ لا .

هل " اللاشيء " لاشيء حقاً ؟ و ما هو الفراغ الكمي ؟

لا تعتبره النظرية "فارغاً"، بل تعتقد بأنه مليء بالأمواج الكهرومغناطيسية المتأرجحة التي يستحيل التخلص منها بشكل كامل ، كأمواج المحيط التي تكون موجودة دائماً ولا يمكن إيقافها.  توجد الأمواج المذكورة بجميع الأطوال الممكنة ، ويقتضي وجودها احتواء الفضاء الخاوي على كمية معيّنة من الطاقة ... طاقة لا يمكننا رصدها ، لكنها موجودة دائماً ، وتسمى بـ طاقة نقطة الصفر Zero-point energy.

يُشبّه الفراغ الكمي بزبد هائج يتكون من أزواج (جسيمات حقيقية-جسيمات افتراضية) ، تنبثق للوجود وتختفي بشكل متواصل وبسرعة كبيرة.  يتألف كل من هذه الأزواج الغريبة من جسيم وجسيم مضادّ ، أحدها يملك طاقة سلبية ، ولذا يُدعى "افتراضيّ".  بسبب صفة فريدة تُميّز الفضاء (والذي هو تعريفاً: لاشيء) ، ينبثق هذا الزوج إلى الوجود ببساطة.  لماذا؟ لأن احتمال وجوده قائم, بهذه البساطة.  محكوم على الجزيء الافتراضي ذو الطاقة السلبية بفترة حياة قصيرة جداً في كوننا الحقيقيّ ذو الطاقة الموجبة ، ويجب عليه الاتحاد فوراً مع نظيره الحقيقيّ -- الجسيمات تنفي الجسيمات المضادة ، والطاقة الموجبة تلغي الطاقة السالبة -- عودة إلى حالة الفضاء الفريدة.  يُعتبر الفراغ الكمي وضع توازن ديناميكيّ حيث تطرأ هذه العملية القابلة للعكس في كل مكان وبسرعة كبيرة جداً.

ما هي طاقة نقطة الصفر ؟ 

طاقة نقطة الصفر هي أقل طاقة يمكن أن توجد في نظام فيزيائي ميكانيكي كموميّ ، وهي طاقة الحالة القاعديّة. يُسمى النظام الفيزيائي الميكانيكي الكمومي الذي يحتوي على هذا القدر من الطاقة بـ "حقل نقطة الصفر".  تم اقتراح هذا المفهوم للمرة الأولى من قِبل آلبرت آينشتاين و أوتو ستيرن في العام 1913.  مصطلح "طاقة نقطة الصفر" هو كلمة مستعارة من الألمانية Nullpunktenergie.  جميع النظم الميكانيكية الكموميّة تمتلك طاقة نقطة الصفر.  يظهر هذا المصطلح عادةً عند الإشارة إلى الحالة القاعديّة للمذبذب التوافقي الكموميّ واهتزازاته الصفرية.

يستعمل اصطلاح "طاقة نقطة الصفر" أحياناً كمرادف لـ "الطاقة الفراغية"، كمية من الطاقة مرتبطة بالفراغ الموجود في الفضاء.  عندما يتم الاصطلاح بهذا المعنى، يتم الإشارة له أحياناً بـ "طاقة نقطة الصفر في الفراغ الكمومي".  في علم الكون ، طاقة الفراغ تمثّل شرحاً ممكناً لـ "الثابت الكونيّ".  يُسبّب التغيّر في طاقة نقطة الصفر عندما تتحرك حدود منطقة من الفراغ  "تأثير كازيمير"، والذي تمكن مشاهدته في "أجهزة الصغائر".


يُشتق مفهوم طاقة النقطة صفر من فكرة معروفة في الميكانيك الكمومي، وهي مبدأ الريبة (عدم التحديد) لهايزنبرگ، وهو المبدأ الذي يقيد دقة القياسات. ففي عام 1927، أثبت الفيزيائي الألماني عدم إمكانية معرفة موقع جسيم ما وكمية حركته (زخمه) في آن واحد وبدقة بالغة: فإن عُرِف الموقع تماما ظلت كمية الحركة مجهولة والعكس بالعكس. ولهذا لابُدّ للجسيم من الرجفان في درجة الصفر المطلق: إذ إنه لو كان في حالة من الركود التام لعرفنا موقعه وكمية حركته في آن واحد وبدقة، ناقضين بذلك مبدأ الريبة.

الطاقة والريبة :

يخضع الزمن والطاقة على غرار الموقع وكمية الحركة لقاعدة هايزنبرگ. لذا من الضروري وجود طاقة متبقية في الفضاء الخالي: فالتأكد من انعدام الطاقة في حيز ما من الفضاء يعني الاستمرار الأبدي في قياسها. ونظرا لتكافؤ الطاقة والكتلة المعبَّر عنه بعلاقة آينشتاين E=mc2، فيجب على طاقة الخواء أن تكون قادرة على تكوين جسيمات تبرز إلى الوجود وتختفي بعد هنيهة يحددها مبدأ الريبة.

تظهر طاقة النقطة صفر هذه (التي تتأتى من جميع أنواع حقول القوى ـ الكهرمغنطيسي والتثاقلي والنووي) على أشكال مختلفة لا تبدو جلية إلا للفيزيائيين. ومن هذه الأشكال انحياز لامب Lamb، وهو تغير طفيف في تواتر الضوء الصادر عن ذرة مثارة. وهناك شكل آخر هو نوع خاص من الضوضاء الضعيفة لا مفر منه تسجله التجهيزات الإلكترونية والضوئية.

ولعل مفعول كازيمير أهم الأمثلة. ففي عام 1948 حسب الفيزيائي الهولندي التجاذب الخفيف بين صفيحتين معدنيتين وُضِعت إحداهما على مسافة قريبة جدا من الأخرى. وسبب هذا التجاذب هو أن ضيق المسافة بين الصفيحتين لا يسمح إلا لبعض «مقامات» موجات طاقة الخواء الكهرمغنطيسية عالية التواتر بحشر نفسها بينهما. أما الموجات الأخرى، ذات المقامات الكبيرة، فتوقفها الصفائح. وهكذا تلعب كل صفيحة دور جناح طائرة فتُحْدِث ضغطا منخفضا على أحد وجهيها وضغطا مرتفعا على الوجه الآخر. وفرق القوة هذا يدفع الصفيحتين إحداهما نحو الأخرى.


ما هو تأثير كازيمير؟

إذا تم وضع مرآتين بمواجهة بعضهما البعض في الفراغ, سيتسنّى لبعض الأمواج التوضّع بينهما, ترتدّ بينهما جيئة وذهاباً, بينما لا تفعل ذلك بقية الأمواج.  بينما تقترب المرآتان من بعضهما لن تتّسع المسافة بينهما للأمواج ذوات الطول الأكبر نسبياً, وينتج عن هذا أنّ كميّة الطاقة الكليّة في الفراغ الموجود بين الصفيحتين ستكون أقل بقليل من كمية الطاقة الأخرى الموجودة في الفراغ الباقي.  وهكذا, ستقوم المرآتان بجذب بعضهما البعض, تماماً كما سيقترب أي عنصرين يربط بينهما نابض متمدّد من بعضهما البعض في حال انخفاض كمية الطاقة المخزّنة في النابض.

هذا التأثير، أن تتجاذب مرآتان في الفراغ، يسمى تأثير كازيمير. تمّ التكهن به بادئاً في العام 1948 من قِبل الفيزيائي الهولندي هيندريك كازيمير . الآن قام ستيف ك. لامورو في مخبر لوس آلاموس الوطني بقياس هذه القوّة الضئيلة في العام 1996.

قام لامورو، مستعينا بتلميذه ، بأدق القياسات لمفعول كازيمير عندما كان في جامعة واشنطن. واستعمل سطوحا من الكوارتز مطلية بالذهب كصفائح. علقت إحدى الصفيحتين في نهاية نواس فتل حساس بحيث يفتل النواس إذا تحركت هذه الصفيحة نحو الصفيحة الأخرى. ويقيس جهاز ليزر مقدار فتل النواس بدقة واحد في المئة من الميكرون. يمكن للصفيحة الأخرى أن تتحرك بفعل تيار مسلط على مجموعة من المركبات الكهرضغطية ولكن منظومة إلكترونية استرجاعية تعارض هذه الحركة وتبقي النواس ساكنا. تظهر طاقة النقطة صفر بوضوح عندما تتغير شدة التيار اللازمة لإبقاء النواس في وضعه الساكن. وجد لامورو أن الصفائح تنتج نحو 100 ميكروداين (أي نانونيوتن واحد). وهذا يعادل «وزن خلية الدم في مجال الأرض التثاقلي»، على حد تعبير لامورو. تقع هذه النتيجة في حدود 5 في المئة من توقعات كازيمير لصفائح لها الخصائص الهندسية نفسها والبعد نفسه الذي تم استخدامه في تجربة لامورو.

من الصحيح بشكل عامّ أن كمية الطاقة في رقعة من الفراغ يمكن أن تتغير بسبب المادة المحيطة بها, ويُستعمل مصطلح "تأثير كازيمير" أيضاً بهذا السياق الأوسع.  إذا تحرّكت المرآتان بسرعة كبيرة ، يمكن أن تتحول بعض الموجات الفراغية إلى موجات حقيقية.  اقترح جوليان شوينغر بالإضافة إلى عديدين أن "تاثير كازيمير الديناميكي" هذا يمكن أن يكون مسؤولاً عن الظاهرة الغريبة المسمّاة بـ "الضيائية-الصوتية".

أحد أكثر الجوانب إثارة فيما يتعلق بالطاقة الفراغية (بوجود أو عدم وجود المرايا) هو أنّها –مقاسة حسب نظرية الحقل الكموميّ- لانهائية!  بالنسبة للبعض، يعني هذا الاكتشاف أنّ الفراغ الموجود في الفضاء يمكن أن يكون مصدراً هائلاً للطاقة، طاقة تدعى (طاقة نقطة الصفر).

لكن هذا الاكتشاف يسبّب أيضاً مشكلة فيزيائية: لا يوجد ما يمنع الأمواج ذات الأطوال الصغيرة على نحو اعتباطي من التوضّع في الفراغ الموجود بين المرآتين، وهناك عدد لانهائي من هذه الأمواج.  الحلّ الرياضي هو القيام بالحسابات مؤقتاً على عدد محدود من الأمواج لوضعيّتين مختلفتين للمرآتين، ثم إيجاد الفرق الناتج بالطاقة الفراغية، ثم التدليل على أنّ الفرق يبقى محدوداً بينما نسمح لأطوال الأمواج بالازدياد إلى اللانهاية.

مع أن هذه الحيلة تنفع، وتعطي جواباً متناسقاً مع التجربة، مشكلة الطاقة الفراغية اللانهائية هي مشكلة جدّية.  تقتضي نظرية آينشتاين في التجاذب أن تولّد الطاقة المذكورة تقويساً جذبياً لانهائياً في الزمكان – وهذا بالتأكيد ما لا نراه.  لا يزال الحلّ لهذه المشكلة موضوع بحث. 


هل نشأ الكون من الفراغ الكمي ؟

يقول فيكتور ستينجر  (Victor Stenger ) :
في نظرية النسبية العامة لآينشتاين, يمكن أن يخلو الزمكان من المادة والإشعاعات, ومع ذلك, يبقى محتوياً على طاقة مخزنة في تموجاته. التموجات الكمية العشوائية ذاتية النشأة في زمكان مسطّح, فارغ وخالٍ مما يميّزه, يمكن أن تؤدي إلى وجود مناطق ذات تموّجات موجبة أو سالبة.  يدعى هذا "زبد الزمكان", وتدعى هذه المناطق "فقاعات الفراغ الزائف". فعندما تكون التموجات موجبة, فقاعات الزمكان الزائف سوف (حسب معادلات آينشتاين) تتضخّم بشكل أسّي.  في 10^-42 ثانية, سوف تتضخم الفقاعة لتصل إلى حجم بروتون, وسوف تكون الطاقة الموجودة فيها كافية لإنتاج كامل كتلة الكون.تبدأ الفقاعة بدون مادة أو طاقة إشعاعية أو حقول قوّة أو انتروبية عظمى.  تحتوي فقط على طاقة في تموجاتها, لذا فهي "فراغ زائف".  عند تضخمها, تتزايد الطاقة الموجودة بداخلها بشكل أسّي.  لا يناقض هذا التضخم قانون حفظ الطاقة لأن الفراغ الزائف يحتوي على ضغط سالب ( صدقني, كل هذا نتاج المعادلات التي كتبها آينشتاين في 1916) وهكذا تعمل الفقاعة المتضخمة بنفسها. بينما تتضخم فقاعة الكون, يطرأ نوع من الاحتكاك مما يؤدي إلى تحول الطاقة إلى جسيمات.  تنخفض درجة الحرارة عندئذ وتحصل سلسلة من العمليات العفوية التي تخرق التناظر.  كما يحصل في حال تبريد مغناطيس إلى ما دون درجة حرارة "كوري" وتظهر بنية عشوائية للجسيمات والقوى عندئذ.  يتوقّف التضخم وننتقل إلى الانفجار الكبير المألوف لنا. الجسيمات والقوى التي تظهر تكون عشوائية تقريباً تحكمها قوانين التناظر فقط (كقانون حفظ الطاقة والزخم) والتي هي أيضاً ليست ناتجة عن "التصميم" وإنما هي تماماً ما نحصل عليه عند غياب التصميم. 

ما يسمى بـ "المصادفات الانتروبية", حيث تبدو لنا جسيمات وقوى الفيزياء مدروسة بعناية بغرض إنتاج الحياة المبنية على عنصر الكربون يتم شرحها عن طريق تبيان وجود عدد لانهائي من الأكوان المختلفة التي تظهر في زبد اللامكان على الدوام. صادف وجودنا في الكون الذي تقوم فيه الجسيمات والقوى بتوليد عنصر الكربون و ذرات أخرى بتعقيد كافٍ لتطوّر الكائنات الحية والمفكرة.

يقول ريتشارد موريس ( Richard Morris ) :

تبدو فكرة "المسبب الأول" مشبوهة على ضوء نظرية ميكانيك الكم الحديثة.  طبقاً لما هو مقبول بشكل واسع في شرح ميكانيكا الكمّ, يمكن لكل جسيم دون ذرّي أن يتصرّف بطريقة لا يمكن التنبؤ بها، وهناك عدد كبير جداً من الأحداث العشوائية ذاتية النشأة.

المصادر :

مجلة العلوم الأميركية -  استغلال طاقة النقطة صفر - يونيو - يوليو1998 / المجلد 14
vacuum
Zero point energy 
what is the casimir effec
Creation ex nihilo - Without God
virtual particles

للمزيد :
الفراغ الكوني ومجالات القوى