در خلاء کوانتومی، هیچ کس نمی‌تواند فریاد شما را بشنود. بر اساس مکانیک کوانتومی، خلاء اصلا خالی نیست. در واقع خلاء با ذرات و انرژی کوانتومی پر شده است که در برای لحظه‌ای زودگذر، در داخل و خارج از هستی چشمک می‌زنند- سیگنال‌های عجیبی که نواسانات کوانتومی نامیده می‌شود.


به گزارش بیگ بنگ، تا دهه‌ها، فقط شواهد غیرمستقیمی از این نوسانات وجود داشت اما در سال ۲۰۱۵ محققان ادعا کردند که نوسانات نظری را مستقیما شناسایی کرده‌اند. و در حال حاضر همان تیم می‌گویند که یک گام جلوتر رفته‌اند و خود خلاء را دستکاری کرده‌اند، و تغییرات در این سیگنال‌های عجیب در خلاء را شناسایی کرده‌اند. در اینجا، به قلمروی فیزیک سطح بالایی وارد می‌شویم، اما آنچه در این آزمایش واقعا مهم است این است که اگر این نتایج تایید شده‌اند، ممکن است محققان فقط راهی برای مشاهده، کاوش، و آزمایش قلمروی کوانتومی بدون تداخل با آن، را پیش رو گذاشته‌اند.

این موضوع مهم است زیرا یکی از بزرگ‌ترین مشکلات مکانیک کوانتومی- و درک ما از آن- این است که هروقت سیستم کوانتومی را مشاهده و اندازه‌گیری می‌کنیم، آن را از بین می‌بریم؛ و وقتی می‌خواهیم چیزی که واقعا در جهان کوانتومی رخ می‌دهد را آشکار کنیم، به خوبی جواب نمی‌دهد. اینجاست که خلاء کوانتومی مطرح می‌شود. اول از همه بیائید به روش کلاسیک به خلاء فکر کنیم- یعنی فضا کاملا خالی از ماده، و با کمترین انرژی ممکن، است. هیچ ذراتی در آنجا وجود ندارد و هیچ‌ چیز با فیزیک محض تداخل ندارد.

اما نتیجه‌ی فرعی یکی از اصول اساسی در مکانیک کوانتومی، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، بیان دارد که در میزان دانشی که می‌توانیم از ذرات کوانتومی داشته باشیم محدودیت وجود دارد و در نتیجه خلاء، خالی نیست. در واقع خلاء با انرژی عجیب خود، با صدا حرکت می‌کند؛ و با جفت‌های ذره-پادذره که به طور تصادفی ظاهر و ناپدید می‌شوند، پر شده است. این‌ها بیشتر شبیه به ذرات «مجازی» است نه ماده فیزیکی؛ بنابراین معمولا نمی‌توانیم آنها را تشخیص دهیم. این‌ها اگرچه مانند بسیاری از چیزها در دنیای کوانتومی نامرئی هستند، اما به طور ماهرانه ای دنیای واقعی را تحت تاثیر قرار می‌دهند.

این نوسانات کوانتومی، میدان‌های الکتریکی تصادفا در حال نوسانی تولید می‌کنند که می‌تواند بر الکترون‌ها تاثیر بگذارد؛ و این‌گونه بود که دانشمندان برای اولین بار در دهه‌ی ۱۹۴۰ وجود آنها را به طو غیرمستقیم نشان دادند. تا چند دهه، این تمام چیزی بود که می‌دانستیم. سپس در سال ۲۰۱۵، تیمی به سرپرستی آلفرد لیتنستورفر از دانشگاه کنستانس در آلمان، ادعا کرد که با مشاهده‌ی تاثیر این نوسانات بر موج نور،آنها را مستقیما مشاهده کرده‌اند. نتایج آن در نشریۀ Science منتشر شد.

برای این کار، پالس لیزری فوق‌العاده کوتاهی –که تنها برای چند فمتوثانیه، یعنی یک میلیونیوم یک میلیاردم ثانیه پایدار است- را در خلاء وارد کردند؛ و گفتند که این تغییرات مستقیما از نوسانات کوانتومی به وجود آمده است. این ادعایی است که هنوز بر سر آن بحث است اما در حال حاضر محققان با «فشردن» خلاء، آزمایش خود را یک سطح جلوتر برده‌اند و می‌گویند که در نتیجه‌ی این آزمایش، قادر به مشاهده‌ی تغییرات عجیب در نوسانات کوانتومی بوده‌اند. این فقط شواهدی از وجود این نوسانات کوانتومی نیست، بلکه همچنین بیان دارد که بدون از دست دادن نتایج، راهی را برای مشاهده‌ی آزمایشات در دنیای کوانتوم مطرح می‌کند؛ که چیزی است که معمولا حالت کوانتومی را از بین می‌برد.

لیتنستورفر گفت: «می‌توانیم حالات کوانتومی را بدون تغییر دادن آنها در تقریب اول، تجزیه و تحلیل کنیم.» معمولا وقتی به دنبال تاثیرات نوسانات کوانتومی در ذره‌ی واحدی از نور هستیم، باید آن ذره‌ی نور را شناسایی یا تقویت کنیم تا تاثیر آن را مشاهده کنیم. و این، «نشان کوانتومی» را روی آن فوتون باقی می‌گذارد؛ که این موضوع مشابه با آزمایش این تیم در سال ۲۰۱۵ است. این تیم، این بار به جای بررسی تغییرات در نوسانات کوانتومی به وسیله‌ی جذب و تقویت فوتون‌های نور، نور را در حوزه‌ی زمان مطالعه کردند. این امر عجیب به نظر می‌رسد اما در خلاء، فضا و زمان به شیوه‌ی مشابهی رفتار می‌کنند؛ بنابراین این امکان وجود دارد که یکی را بررسی کنیم تا در مورد دیگری بیشتر بدانیم و یاد بگیریم. این تیم با انجام این کار مشاهده کردند که وقتی خلاء را فشرده می‌کنند، مانند فشرده کردن بادکنک عمل می‌کند و نوسانات کوانتومی عجیب در آن توزیع می‌شود. نوسانات در برخی نقاط، بلندتر از «نویز» زمینه‌ای خلاء غیرفشرده و در برخی نقاط، ساکت‌تر هستند.

لیتنستورفر این را با راه‌بندان (ترافیک) مقایسه می‌کند- وقتی تنگنایی وجود دارد که اتومبیل‌ها پشت آن جمع می‌شوند- در مقابل آن نقطه، تراکم اتومبیل‌ها دوباره کاهش خواهد یافت. همین امر، تا حد معینی، در خلاء هم اتفاق می‌افتد- زمانی که خلاء در مکانی فشرده می‌شود، توزیع نوسانات کوانتومی تغییر می‌یابد و در نتیجه سرعت آنها می‌تواند تند یا کند شود. آن تاثیر را می‌توان روی دامنه‌ی زمان اندازه گرفت، که در زیر روی نمودار فضا-زمان مشاهده می‌کنید. برجستگی در وسط، «فشردگی» خلاء است.

همان طور که می‌بینید در نتیجه‌ی فشردگی، بلیپ‌هایی در نوسانات به وجود آمده است. اما اتفاق عجیب دیگری هم رخ می‌دهد؛ به نظر می‌رسد که نوسانات در برخی محل‌ها به زیر سطح نویز زمینه افت می‌کنند، که پایین‌تر از حالت پایه‌ی فضای خالی است؛ چیزی که دانشمندان آن را «پدیده‌ی شگفت‌آور» می‌نامند. اطلاعیه‌ای رسمی توضیح می‌دهد که: «از آنجایی که تکنیک جدید اندازه‌گیری فوتون‌هایی که باید اندازه‌گیری شوند را نه باید جذ و نه تقویت کند، امکان شناسایی مستقیم نویز زمینه‌ای الکترومغناطیسی خلاء و در نتیجه، انحراف‌های کنترل‌شده‌ از این حالت پایه، که توسط محققان ایجاد شده است، نیز وجود دارد».

در حال حاضر این تیم نه تنها میزان دقت تکنیک خود، بلکه اینکه از این تکنیک چه مقدار می‌توان یاد گرفت را نیز آزمایش می‌کنند. گرچه تا کنون نتایج قابل توجه بوده است اما هنوز این امکان وجود دارد که این تیم تنها به اندازه‌گیری به اصطلاح ضعیفی دست یافته باشند- نوعی اندازه‌گیری که حالت کوانتومی را از بن نمی‌برد اما در واقع در مورد سیستم کوانتومی، اطلاعات بسیار زیادی به محققان می‌دهد. اگر محققان بتوانند با استفاده از این تکنیک چیز بیشتری یاد بگیرند، به استفاده از آن برای بررسی «حالت کوانتومی نور»، یعنی رفتار نامرئی نور در سطح کوانتومی که ما تازه به آن پی برده‌ایم، ادامه می‌دهند. به تایید بیشتری نیاز است تا یافته‌های این تیم تکرار شود و نشان دهد که آزمایش آنها واقعا عمل می‌کند. اما گام اول بسیار جالبی است. جزئیات بیشتر این پژوهش در مجله Nature منتشر شده است.