کاروتک
ساخت ماده از هیچ در آزمایشی پیشگامانه | تئوری که پس از 70 سال اثبات شد
همه ما این جمله را شنیده‌ایم که از هیچ، چیزی نمی‌توان ساخت؛ اما واقعیت در دنیای فیزیک و کوانتوم متفاوت است. با بررسی تئوری 70 ساله‌ای که به دانشمندان کمک کرد از هیچ، ماده ایجاد کنند همراه کارو تک باشید.
دنیای بزرگ فیزیک کوانتوم، به‌طرز چشم‌گیری در حال پیشرفت است و هر روز، شاهد تئوری‌های بیش‌تر و اکتشافات بیش‌تر هستیم. یکی از ویژگی‌های کوانتوم، اثبات تئوری‌هایی است که به‌صورت ظاهری، حتی قابل باور هم نیستند؛ به‌طور مثال، ما می‌دانیم که هیچ‌وقت نمی‌توانیم از هیچ، ماده‌ای خلق کنیم. اما کوانتوم این‌گونه نیست؛ طبق کوانتوم، فیزیک جهان ما متقاوت است. در واقع، دانشمندان پس از ده‌ها سال تلاش، توانستند از هیچ ماده‌ای پیشگامانه تولید کنند. آن‌ها اکنون توانسته‌اند ثابت کنند که تئوری که برای اولین‌بار 70 سال پیش مطرح شد، درست است و ما واقعاً می‌توانیم از هیچ، تقریبا همه‌چیز را خلق کنیم.
جهان هستی، بر پایه سه قانون بسیار مهم استوار است؛ این سه قانون، انرژی، بار و حرکت هستند. البته قانون‌های دیگری هم وجود دارند که از ارزش کم‌تری برخوردار هستند. در واقع، این سه قانون، کلید حل معمای اصلی دانشمندان، یعنی نحوه چگونگی تشکیل ماده هستند؛ معمایی که بسیار پیچیده‌تر از آن چیزی است که تصورش را بکنید. دانشمندان ده‌ها سال برای حل این معما و کشف راز چگونگی ایجاد ماده تلاش کردند و اکنون، تلاش‌های آن‌ها بعد از 70 سال، در حال نتیجه دادن است.
جریان اصلی برای فهمیدن نحوه تشکیل ماده، از زمانی شروع شد که دانشمندان توانستند ماده را نامرئی کنند: سال پیش، دانشمندان MIT از لیزر برای فشرده کردن گاز لیتیوم پس از خنک کردن آن تا دمای بسیار پایین استفاده کردند. نتیحه این فرایند، یک گاز نامرئی بود که می‌توانست از پراکندگی نور جلوگیری کند. دانشمندان بر این باور بودند که می‌توان از آن برای جلوگیری از لو رفتن داده‌ها از رایانه‌های کوانتومی استفاده کرد. محققان دیگر نیز آزمایش‌های مشابهی انجام دادند و همگی یافته‌های خود را در سه مقاله جداگانه منتشر کردند.
فرایندی که دانشمندان MIT شاهد آن بودند، «مسدود کردن پائولی (Pauli Blocking)» نامیده می‌شود که بر اساس اصل طرد پائولی شکل گرفته است. این اصل برای اولین‌بار توسط ولفگانگ پاولی، فیزیکدان اتریشی، در سال 1925 مطرح شد. پائولی فرض کرد که ذرات فرمیونی مانند پروتون، الکترون و نوترون با حالت کوانتومی یکسان نمی‌توانند در یک فضا وجود داشته باشند.
اما این اصل به ذراتی کوچکی مانند الکترون محدود نمی‌شود و می‌توان آن را در مورد اتم‌های موجود در گاز نیز به‌کار برد؛ در واقع، این موضوع دقیقا همان چیزی بود که دانشمندان برای اثبات از آن استفاده کردند. به‌طور معمول، اتم‌های یک ابر گازی فضای زیادی برای حرکت دارند. وقتی یک پروتون یا یک ذره سبک را به یک ابر گازی می‌فرستید، اتم‌هایی که به آن برخورد می‌کنند با هم کُنش می‌کنند. طی این کُنش‌ها، آن‌ها ذره را جذب می‌کنند و باعث می‌شوند که سطح متفاوتی از انرژی پدید بیاید.
اما برای ساختن گاز نامرئی، دانشمندان باید برعکس عمل می‌کردند. در عوض، آن‌ها باید کاری می‌کردند که اتم‌ها با یک‌دیگر برخورد نکنند تا سطح انرژی خیلی تغییر نکند. سپس اتم‌ها انرژی خود را از دست می‌دادند و باعث می‌شد نوعی ماده به نام «دریای فرمی (Fermi Sea) را تشکیل دهند. در واقع، اتم‌ها در کنار یک‌دیگر قرار می‌گرفتند و این باعث شد که آن‌ها نتوانند در سطح انرژی بسیار بالا یا بسیار پایین حرکت کنند. در این مرحله ذرات به‌قدری در کنار هم قرار می‌گیرند که وقتی نور را به آن‌ها می‌تابانید، اتم‌ها قادر به تعامل با ذرات نور نیستند و یا به‌عباراتی دیگر، آن گاز نامرئی شده است.
دانشمندان پس از فهمیدن نحوه نامرئی کردن ماده، پای خود را فراتر گذشتند و به‌سمت راز نحوه تشکیل ماده قدم برداشتند. حال، پس از گذشت یک سال، آن‌ها به نتایج امیدوارکننده‌ای رسیده‌اند. در حال حاضر، تئوری‌های زیادی در مورد چگونگی ایجاد ماده از هیچ وجود دارد؛ به‌خصوص اکنون که که فیزیک‌دانان کوانتومی تلاش کرده‌اند تا بیگ‌بنگ و آن‌چه می‌تواند باعث آن شده باشد را درک کنند. ما می‌دانیم که برخورد دو ذره در فضای خالی گاهی اوقات می‌تواند باعث ظهور ذرات اضافی شود. حتی نظریه‌هایی وجود دارند که بیان می‌کنند یک میدان الکترومغناطیسی به‌اندازه کافی قوی می‌تواند ماده و پادماده را از خود «هیچ» ایجاد کند.
با این‌که هر کدام از این تئوری‌ها تقریبا غیرممکن به‌نظر می‌رسیدند، اما دانشمندان دست از تلاش برنداشتند؛ چرا که آن‌ها در پروسه نامرئی کردن ماده، به نتیجه‌های بسیار مهمی دست یافته بودند و اکنون، به‌نظر می‌رسد که این تحقیقات نتیجه داده است. در اوایل سال 2022، گروهی از محققان موفق شدند تا میدان‌های الکتریکی بسیار قوی در آزمایشگاه خود ایجاد کنند تا یک جزء منحصربه‌فرد از ماده را به‌نام «گرافن»، هم‌سطح کنند.
با استفاده از این میدان‌ها، محققان توانستند جفت‌های ذره و ضد ذره را از هیچ ایجاد کنند. البته باید تأکید کرد که طبق قوانین فیزیک، چیزی به نام فضای کاملا خالی وجود ندارد و به‌جای آن، حتی زمانی که هیچ ذرهای وجود نداشته باشد، میدان‌های کوانتومی وجود دارند. در واقع، این تحقیق ثابت کرد که ایجاد ماده از هیچ واقعا ممکن است؛ نظریه‌ای که برای اولین‌بار 70 سال پیش توسط جولیان شوینگر، یکی از بنیان‌گذاران نظریه میدان کوانتومی ارائه شد.
اثر، شوینگر فرضیه‌ای بود که فرآیندی را پیش‌‌بینی می‌کرد که در آن یک میدان الکتریکی قوی ماده را ایجاد می‌کند؛ در اصل، این اثر یک مدل پیش‌بینی‌کننده مبتنی بر الکترودینامیک کوانتومی (QED) بود که بیان می‌کرد جفت‌های ذره و ضد ذره به‌طور خودکار در حضور یک میدان الکتریکی بسیار قوی تشکیل می‌شوند.
بر روی زمین، تاسیسات لیزری و میدان‌های الکتریکی بسیار قدرتمندی وجود دارند؛ اما حتی با قوی‌ترین آن‌ها، ایده تشکیل ماده از هیچ هرگز موفقیت‌آمیز نبوده است. در واقع، اثر شوینگر در گذشته هیچ‌وقت در محیط آزمایشگاهی شناسایی نشده بود و تا همین چند روز پیش، تمام تئوری‌ها بر این پایه بودند که این پدیده فقط در مناطق پرانرژی مانند سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی رخ می‌دهد.
اما آخرین آزمایش محققان دانشگاه منچستر، این موضوع را تغییر داد. این آزمایش به دانشمندان کمک می‌کند تا دریابند چگونه جهان می‌تواند از هیچ چیز به‌وجود بیاید. محققان پس از بررسی ایده بیگ‌بنگ که منجر به تولد جهان به شکلی که ما می‌شناسیم شد، به این پدیده علاقه‌مند شدند.
حال با این دانش، امیدواریم بتوانیم بهتر درک کنیم که جهان چگونه در ابتدا از هیچ به‌وجود آمد.
پی‌نوشت
اصل طرد پائولی: اصل طرد پائولی که مخالفان بسیاری دارد، یک قانون در فیزیک کوانتومی است. این قانون بیان می‌کند که هر ذرهای (از الکترون گرفته تا بزرگ‌ترین ذرات) نمی‌توان به‌طور هم‌زمان در یک حالت کوانتومی باشند؛ به‌طور مثال، نمی‌توانند هر دو در دو مکان مختلف باشند. این قانون به‌نوعی مکمل نظریه خودکشی کوانتومی و تفسیر کپنهاگی است.
انتشار متن مطالب کاروتک در نشریات کاغذی یا رسانه‌های دیجیتال٬ بدون کسب اجازه از مدیر سایت ممنوع است.
کاری با 
در استودیو کارو
