بررسی خلأ کوانتومی: تولید نور از فضای 'خالی'

بررسی خلأ کوانتومی: نور حاصل از فضای «خالی»

دانشمندان با استفاده از شبیه‌سازی‌های پیشرفته رایانه‌ای، به دستاورد مهمی در فیزیک کوانتومی دست یافته‌اند و امکان تولید واقعی نور از خلأ را با بهره‌گیری از لیزرهای فوق‌العاده قدرتمند به نمایش گذاشته‌اند. این پژوهش که با همکاری دانشگاه آکسفورد و دانشگاه لیسبون انجام شده، دیدگاه‌های تازه‌ای درباره چگونگی شکل‌گیری نور و ماده از شرایطی که به نظر می‌رسد کاملاً خالی باشد، ارائه می‌دهد و پایه‌های درک ما از الکترودینامیک کوانتومی (QED) را به چالش می‌کشد.

زمینه علمی: ماهیت کوانتومی فضای تهی

از نگاه سنتی، خلأ به عنوان فضای کاملاً خالی در نظر گرفته می‌شود؛ اما نظریه میدان کوانتومی اثبات می‌کند که فضای خالی به هیچ وجه تهی نیست و در حقیقت دریایی پویا و پر از «ذرات مجازی» است که به طور بسیار گذرا ظاهر شده و ناپدید می‌شوند. این نوسانات کوانتومی ناشی از میادین انرژی هستند که در پس‌زمینه تمام تعاملات طبیعت، از جمله میدان الکترومغناطیسی که رفتار نور و فوتون‌ها را تعیین می‌کند، نقش دارند. فیزیکدانان مدت‌هاست فرض کرده‌اند که در شرایط بسیار شدید، این ذرات مجازی می‌توانند به پدیده‌های قابل مشاهده، مانند فوتون‌های واقعی، تبدیل شوند.

شبیه‌سازی ناممکن: استفاده از لیزرهای فوق قوی

برای بررسی این پدیده، تیم‌های پژوهشی از حل‌کننده‌های معادلات نیمه‌کلاسیک بهره بردند؛ ابزاری عددی که قادر به شبیه‌سازی اثرات کوانتومی در سه بعد و زمان واقعی است. مدل‌های آنها بر اتفاق‌هایی متمرکز شد که هنگام برخورد سه پالس لیزر بسیار قدرتمند و کاملاً هم‌زمان (هر یک با انرژی پتاوات و در بازه‌هایی بسیار کوتاه) در خلأ رخ می‌دهد. نتایج شبیه‌سازی‌ها شکل‌گیری فرآیندی به نام برهم‌کنش چهارموجی را پیش‌بینی کردند: هم‌راستایی سه پرتو لیزر میدان الکترومغناطیسی به اندازه‌ای قوی ایجاد می‌کند که خلأ کوانتومی را دگرگون کرده و فوتون‌های مجازی را به یک پرتو چهارم و واقعی نور تبدیل می‌کند که قابل تشخیص است.

پروفسور پیتر نورِیز، فیزیکدان دانشگاه آکسفورد و از اعضای اصلی تیم پژوهش، می‌گوید: «این موضوع تنها یک کنجکاوی علمی نیست، بلکه گامی بزرگ برای اثبات تجربی اثرات کوانتومی است که تا کنون بیشتر جنبه نظری داشته‌اند.» این یافته‌ها نظریه‌های قدیمی را وارد مرحله‌ای نوین و ملموس می‌کند و نشان می‌دهد امضاهای کوانتومی که تا پیش از این دست‌نیافتنی می‌نمودند، ممکن است به‌زودی به دنیای علم آزمایشگاهی راه یابند.

چهارموجی و پراکندگی فوتون-فوتون: دریچه‌ای به فیزیک نوین

پدیده کلیدی متن این پژوهش، پراکندگی فوتون-فوتون از طریق برهم‌کنش چهارموجی است. در شرایط عادی، فوتون‌ها (ذرات نور) با یکدیگر برهم‌کنشی ندارند. اما الکترودینامیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کند که در حضور انرژی کافی، مانند میدان الکترومغناطیسی شدید ناشی از ادغام لیزرهای پرتوان، فوتون‌ها می‌توانند از روی یکدیگر پراکنده شوند. دانشمندان ده‌ها سال تلاش داشته‌اند این اثر را به طور مستقیم مشاهده کنند، اما اثبات تجربی آن همچنان دشوار باقی مانده است.

دکتر ژیکسین ژانگ، نویسنده اصلی مقاله توضیح می‌دهد: «با به‌کارگیری مدل شبیه‌سازی سه‌پرتویی، توانستیم طیفی کامل از نشانه‌های کوانتومی و جزئیات دقیق ناحیه برهم‌کنش و بازه‌های زمانی کلیدی را ثبت کنیم.» این شبیه‌سازی‌ها نه تنها انتظارات نظری را تأیید می‌کند، بلکه پارامترهای دقیقی برای آزمایش‌های آینده در اختیار می‌گذارد و می‌تواند راه را برای پیشرفت‌های بزرگ در اُپتیک کوانتومی و فیزیک خلأ هموار کند.

افق‌های جدید و چشم‌انداز آینده در آزمایش‌های لیزرهای پرتوان

اگرچه نتایج ارائه‌شده فعلاً مبتنی بر شبیه‌سازی است، اما پیشرفت فناوری لیزرهای نسل آینده افق‌های هیجان‌انگیزی را برای آزمایش‌های کوانتومی باز کرده است. در حال حاضر، مرکز Extreme Light Infrastructure (ELI) در رومانی پیشرفته‌ترین لیزرهای پرقدرت را در اختیار دارد و به توان ده پتاوات در پالس‌هایی بسیار کوتاه دست یافته است. همچنین پروژه EP-OPAL متعلق به دانشگاه راچستر آمریکا درحال توسعه پرتویی با ۲۵ پتاوات قدرت است تا آزمایش‌های پراکندگی فوتون-فوتون را اجرا کند. در چین نیز مرکز SHINE (Shanghai High repetition rate X-ray Free Electron Laser and Extreme Light Facility) با هدف دستیابی به رکورد ۱۰۰ پتاوات با بهره‌گیری از فناوری لیزر الکترون آزاد فعالیت می‌کند.

آنچه این پروژه‌ها را متمایز می‌کند، استفاده از پرتوهای کاملاً فوتونی برای ایجاد میدان‌های الکترومغناطیسی بسیار شدید و حذف اختلال ناشی از سایر ذرات است. چنین محیط‌های پاکی می‌تواند شواهد روشنی برای تولید خودبه‌خودی نور از خلأ ارائه دهد و به اثبات برساند که پدیده‌ای می‌تواند از «هیچ» به وجود آید؛ موضوعی که مدت‌ها غیرممکن به نظر می‌رسید.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی پیشگامانه، شفافیتی بی‌سابقه به یکی از پیش‌بینی‌های شگفت‌انگیز کوانتومی می‌بخشد: نور می‌تواند با تعامل لیزرهای بسیار قدرتمند، از خلأ به وجود آید و زمینه را برای آزمایش‌های علمی مستحکم فراهم کند. با رقابت جهانی مراکز لیزری در افزایش توان و گسترش آزمایش‌های پیشرفته، رویای مشاهده مستقیم ظهور نور از خلأ کوانتومی به واقعیت علمی نزدیک‌تر می‌شود؛ پدیده‌ای که نگرش ما به فضا، انرژی و ساختار جهان را دگرگون خواهد کرد.