[مکانیک کوانتم] [مفاهیم بنیادین فیزیک]
انرژی نقطه‌ی صفر یا انرژی موجود در خلأ یا انرژی نوسان خلأ (به انگلیسی: Zero-point energy، که هم‌چنین: quantum vacuum zero-point energy نیز نامیده می‌شود)، کم‌ترین انرژی احتمالی است که یک سامانه (سیستم) ممکن است در حالت خلأ داشته باشد[۱].
بر اساس مکانیک کوانتومی، انرژی الکترون نمی‌تواند صفر شود، اما الکترون باید یک انرژی نقطه‌ی صفر داشته باشد. برای درک بهتر به این مثال توجه نمایید: گاری غلتانی را در نظر بگیرید که روی یک ریل و میان یک دره واقع شده است. طبق فیزیک کلاسیک این گاری در نهایت از حرکت کاملاً باز می‌ایستد و برای همیشه در آن‌جا باقی می‌ماند، مگر نیرویی بر آن وارد شود. اما در مکانیک کوانتومی اگر بخواهیم الکترون را همان گاری فرض کنیم، طبق اصل عدم قطعیت[٢] نمی‌تواند کاملاً از حرکت باز ایستد، در صورت توقف کامل، مکان و اندازه حرکت را به‌صورت همزمان خواهیم داشت. بنابراین عدم قطعیت اجازهٔ چنین اتفاقی را نمی‌دهد. طبق مکانیک کوانتومی، این ذره (الکترون) در نزدیکی ته‌ی دره در جنب و جوش خواهد بود و هرگز آرام نخواهد گرفت. این حرکت همیشگی، جنبش نقطه‌ی صفر نام دارد. به این شکل، انرژی الکترون نیز نمی‌تواند صفر بشود، اما باید دارای انرژی کمینه‌ای باشد که به آن انرژی نقطه‌ی صفر می‌گویند[٣].
[↑] مفهوم بنیادی
انرژی نقطه‌ی صفر یا انرژی نوسان خلأ، اصطلاحی است که برای نوسانات تصادفی امواج الکترومغناطیسی در خلأ به‌کار برده می‌شود و این انرژی پس از حذف تمام انرژی‌های موجود در محیط، مشاهده می‌شود.
مفهوم انرژی نقطه صفر نخستین‌بار توسط «آلبرت اینشتین» و «اوتو استرن»، در سال ١٩١٣ میلادی، تحت عنوان «انرژی رسوبی» یا «انرژی مبهم صفر» مطرح شد. همه‌ی پایانه‌های کوانتومی دارای یک مقدار انرژی نقطه‌ی صفر هستند. این اصطلاح عموماً برای حالت‌های کوانتومی نوسانات هماهنگی به‌کار می‌رود که در آن نوسان‌کننده‌ای وجود ندارد.
در کیهان‌شناختی نیز انرژی خلأ مبنای ثابت کیهان‌شناختی است. نمونه آزمایشی انرژی نقطه‌ی صفر مستقیماً توسط اثر کازیمیر در مقیاس نانو مشاهده شد. یک روش برای توضیح این پدیده، استفاده از اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتومی است که به‌موجب آن انرژی نمی‌تواند به‌طور مطلق صفر باشد[۴].
با این توصیف، یک ظرف محتوای هوا را در نظر بگیرید. اگر هوای داخل ظرف را با یک پمپ خارج کنیم در ظرف چه چیزی باقی می‌ماند؟ تا قبل از شکل‌گیری نظریه کوانتومی در قرن بیستم فیزیکدان‌ها معتقد بودند که در این ظرف هیچ‌چیزی باقی نمی‌ماند اما نظریه کوانتومی نگاه فیزیکدان‌ها را به مفهوم خلأ برای همیشه تغییر داد.
امروزه از نگاه فیزیک کوانتومی باید گفت که خلأ در واقع خالی نیست، بلکه برعکس مملو از انرژی است اما ببینیم چرا؟ علت صفر نبودن انرژی خلأ به رابطه عدم قطعیت هایزنبرگ باز می‌گردد. براساس رابطه عدم قطعیت، مقدار انرژی یک سیستم همواره با گذشت زمان، افت و خیز دارد و بنابراین انرژی سیستم حتی در خلأ نیز نمی‌تواند مطلقاً برابر صفر باشد. به بیان دقیق‌تر و براساس نظریه میدان کوانتومی می‌توان گفت که خلأ همواره حاوی میدان‌هایی است که افت و خیز می‌کنند.
از این دیدگاه، خلأ را می‌توان به اقیانوسی تشبیه کرد که برخلاف تصور فیزیک کلاسیک هیچ‌گاه ساکن نبوده بلکه همیشه مواج و متلاطم است. بر مبنای نظریه میدان کوانتومی، این امواج در واقع انبوه فوتون‌ها و ذرات دیگری هستند که مستمراً از دل خلأ پدید آمده و لحظه‌ای بعد محو می‌شوند. این امواج فوتون‌ها در تمامی طول موج‌ها در گستره خلأ حضور دارند و بنابراین خلأ همواره حاوی مقدار مشخصی انرژی است. اما با توجه به آن‌که این انرژی در تمامی گستره خلأ کیهانی و در همه جهان به‌طور یکسان وجود دارد، آیا راهی برای آشکارسازی آن به لحاظ تجربی وجود دارد؟
غلتش گوی فلزی: چند سال پیش فیزیکدان‌های دانشگاه کالیفرنیا در ریورساید برای نخستین بار موفق شدند یک گوی فلزی کوچک به شعاع یک دهم میلی متر را – که تصویر آن را در زیر میکروسکوپ مشاهده می‌کنید – تنها به کمک انرژی خلأ و به‌واسطه اثر کازیمیر به غلتش در آورند.
در سال ۱۹۴۸ یک فیزیکدان هلندی به‌نام هندریک کازیمیر توانست پاسخی برای این پرسش بیابد. محاسبات کازیمیر نشان می‌داد چنانچه دو صفحه فلزی بدون بار الکتریکی را در فاصله کمتر از چند میکرون از همدیگر در محیط خلأ قرار دهیم باید به‌واسطه وجود انبوه فوتون‌های موجود در خلأ که مستمراً از دو طرف به این صفحات ضربه وارد می‌کنند، نیروی جاذبه‌ای مابین این دو صفحه برقرار شود. در آن زمان خود کازیمیر با انجام آزمایشاتی سعی کرد وجود این نیروی جاذبه اسرارآمیز را – که امروه اصطلاحاً «اثر کازیمیر» نامیده می‌شود – در عمل بررسی کند، اما آزمایشات او از دقت کافی برخوردار نبودند تا این‌که سرانجام ۱۰ سال بعد، یکی از فیزیکدانان همکار او در آزمایشگاه پژوهشی شرکت فیلیپس به‌نام مارکوس اسپارنای توانست برای نخستین بار از وجود انرژی خلأ به‌طور تجربی و عملی پرده بردارد.
با توجه به آن‌که انرژی خلأ در همه‌جا به‌صورت بی‌پایان وجود دارد فیزیکدان‌ها در تلاشند تا راه‌هایی را برای استفاده عملی از این انرژی فراگیر و تمامی نشدنی بیابند. به‌عنوان مثال با توجه به این‌که اثر کازیمیر در فواصل کمتر از چند میکرون ظاهر می‌شود، بعضی فیزیکدان‌ها به این فکر افتاده‌اند که انرژی خلأ را برای راه‌اندازی ماشین‌ها و روبات‌های میکرومتری استفاده کنند. البته از آن‌جایی که هنوز تمامی میدان‌های موجود در جهان برای بشر شناخته‌شده نیست نمی‌توان مقدار کل انرژی موجود در حجم مشخصی از خلائ را به‌طور دقیق تخمین زد؛ اما بعضی فیزیکدان‌ها معتقدند که مقدار این انرژی می‌تواند فوق‌العاده زیاد یا حتی نامتناهی باشد. به هر حال، امروزه خلأ – که در فیزیک کلاسیک صرفاً به‌معنای هیچ بود – عملاً به‌یکی از عجیب‌ترین و رازآمیزترین پدیده‌های جهان تبدیل شده است[۵].
[↑] يادداشت‌ها
يادداشت ۱: اين مقاله برای دانشنامهی آريانا توسط مهدیزاده کابلی برشتۀ تحرير درآمده است.
[↑] پيوست‌ها
پيوست ۱:
پيوست ٢:
پيوست ۳:
پيوست ۴:
پيوست ۵:
پيوست ۶:
[↑] پی‌نوشت‌ها
[۱]-
[٢]- در مکانیک کوانتومی بر اساس اصل عدم قطعیت نمی‌توان در مورد پدیده‌ها با قطعیت کامل اظهار نظر کرد و نتیجه اندازه‌گیری‌ها و آزمایش‌های مختلف به‌وسیله نظریه‌ی احتمال تعبیر می‌شود.
[٣]- توضیح و اقتباس از کتاب: تونی هی، پاتریک والترز، جهان کوانتومی نوین، ترجمۀ محمدرضا محجوب، تهران: نشر حریر، ص ٦٨
[۴]- حسین جوادی، انرژی نقطه صفر و معادله دیراک، سایت نظریه سی پی اچ
[۵]- انرژی خلأ، وب‌سایت علمی بیگ بنگ: ۲۹ آذر ۱۳۹۲
[↑] جُستارهای وابسته
□
□
□
[↑] سرچشمه‌ها
□
□
□
□
[↑] پيوند به بیرون
□ [۱ ٢ ٣ ۴ ۵ ٦ ٧ ٨ ٩ ۱٠ ۱۱ ۱٢ ۱٣ ۱۴ ۱۵ ۱٦ ۱٧ ۱٨ ۱۹ ٢٠]
