شبیه‌سازی فرآیند کوانتومی که می‌تواند جهان را به پایان برساند

۰۱

مرزهای لرزان پایداری کیهانی

اگرچه جهان ما در ظاهر پایدار و استوار به نظر می‌رسد، اما ممکن است این تنها یک وضعیت موقتی از آرامشی دروغین باشد که در هر لحظه امکان فروپاشی آن وجود دارد. در فیزیک کلاسیک، خلاء را پایین‌ترین سطح انرژی جهان در نظر می‌گیریم، جایی که هیچ چیز برای از دست دادن وجود ندارد. با این حال، در قلمرو فیزیک کوانتوم، این احتمال وجود دارد که حالتی با انرژی حتی کمتر و پایداری بیشتر از خلاء فعلی ما وجود داشته باشد. اگر بخشی از فضا به این حالت پایدارتر انتقال یابد، حباب حاصل از این گذار مانند یک بیماری واگیردار کیهانی با سرعت نور منبسط شده و جهان را در خود می‌بلعد.

این فرآیند که با عنوان نظریه فروپاشی خلاء کاذب شناخته می‌شود، یکی از هولناک‌ترین مفاهیم در فیزیک نظری است. اخیراً تیمی از فیزیکدانان به سرپرستی دانشگاه سینگهوا در چین، موفق شده‌اند روشی را برای شبیه‌سازی این پدیده در محیط کنترل‌شده آزمایشگاهی ابداع کنند. هدف آن‌ها از این کار، نابودی جهان نیست، بلکه بررسی یکی از نقاط تلاقی اصلی میان مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت است. این دو نظریه بزرگ فیزیک، با وجود موفقیت‌های بی‌نظیر، هنوز با یکدیگر آشتی نکرده‌اند و فروپاشی خلاء کاذب دقیقاً در جایی رخ می‌دهد که هر دو نظریه باید به طور هم‌زمان پاسخگو باشند.

۰۲

تقابل فیزیک کلان و جهان خرد

معادلات نسبیت اینشتین در توصیف نحوه عملکرد فیزیک در مقیاس‌های بزرگ و سرعت‌های بالا فوق‌العاده عمل می‌کنند. از حرکت سیارات گرفته تا انحنای نور در نزدیکی سیاه‌چاله‌ها، همه تحت فرمان این نظریه هستند. اما وقتی وارد دنیای بی‌نهایت کوچک‌ها می‌شوید، یعنی همان قلمرو اتمی و زیراتمی، نسبیت دیگر ابزار مناسبی برای توصیف رفتار ذرات نیست. در اینجا، نظریه میدان‌های کوانتومی وارد میدان می‌شود تا چگونگی تعامل ذرات و میدان‌ها را توضیح دهد.

زمانی که هر یک از این دو نظریه در محدوده اختصاصی خود عمل می‌کنند، مشکلی پیش نمی‌آید، اما در شرایط بحرانی و رادیکال، این دو با هم تلاقی پیدا می‌کنند و محاسبات به شدت پیچیده و آشفته می‌شود. فیزیکدانان همواره به دنبال نقاطی هستند که این دو قلمرو با هم هم‌پوشانی دارند تا شاید بتوانند نظریه واحدی برای توصیف کل هستی بیابند. فروپاشی خلاء دقیقاً یکی از همین نقاط است؛ جایی که یک فرآیند کاملاً کوانتومی یعنی تونل‌زنی، پیامدهایی در ابعاد کیهانی و بر اساس قوانین نسبیت به همراه دارد.

۰۳

استعاره دریاچه و حوضچه‌های انرژی

یکی از پیش‌بینی‌های نظریه میدان‌های کوانتومی این است که چیزی به نام خلاء کامل و مطلق وجود ندارد. آنچه ما فضای تهی می‌نامیم، در واقع پایین‌ترین سطح انرژی یک میدان کوانتومی است. اگر منظر انرژی یک میدان دارای چندین کمینه محلی یا نقاط پست باشد، این نقاط همان خلاءهای کاذب هستند که پتانسیل گذار به یک خلاء حقیقی یعنی حالتی با انرژی حتی کمتر را دارند.

منظره‌ای را تصور کنید که دارای چندین دریاچه در ارتفاعات مختلف است. برخی از این دریاچه‌ها عمیق‌تر از بقیه هستند، اما در جایی زیر تمام آن‌ها، یک حوضچه بسیار عمیق‌تر و وسیع‌تر وجود دارد. اگر تونلی در کف یکی از این دریاچه‌های بالایی باز شود، آب به درون آن حوضچه عمیق سرازیر خواهد شد. در فضای کیهانی، اگر چنین اتفاقی بیفتد، موضوع به تخلیه ساده محدود نمی‌شود. به محض اینکه حباب ایجاد شده به اندازه بحرانی برسد، با سرعتی نزدیک به سرعت نور منبسط شده و هر چیزی را که لمس کند، به حالت انرژی جدید تبدیل می‌کند و عملاً ساختار واقعیت را تغییر می‌دهد.

۰۴

اتم‌های ریدبرگ؛ بازیگران شبیه‌سازی کیهانی

محققان برای شبیه‌سازی این پدیده، از دستکاری مستقیم فضای خلاء استفاده نکردند، بلکه از سیستمی جایگزین بهره بردند: حلقه‌ای از اتم‌های ریدبرگ. در یک اتم معمولی، هسته‌ای وجود دارد که توسط ابری از الکترون‌ها احاطه شده است. با افزودن اندکی انرژی، این ابر کمی منبسط می‌شود. اما اتم ریدبرگ زمانی شکل می‌گیرد که انرژی بسیار زیادی به اتم تزریق شود، به طوری که الکترون‌ها در دورترین فاصله ممکن از هسته قرار گیرند بدون آنکه از آن جدا شوند.

این اتم‌ها به دلیل ساختار پف‌کرده و سست خود، رفتارهای اغراق‌آمیزی از خود نشان می‌دهند که آن‌ها را برای آزمایش‌های حساس فیزیک کوانتومی ایده‌آل می‌کند. پژوهشگران تعدادی زوج از این اتم‌ها را که نسبت به هم دافعه داشتند، در یک حلقه چیدند. در این آرایش، هر اتم تمایل دارد در جهتی مخالف اتم‌های مجاور خود قرار گیرد که منجر به ایجاد یک الگوی متقارن و متناوب می‌شود. سپس با استفاده از لیزر، این تقارن را شکستند تا سیستم بتواند در دو الگوی متفاوت با انرژی‌های کمی متفاوت قرار بگیرد؛ یکی نماینده خلاء کاذب و دیگری نماینده خلاء حقیقی.

۰۵

جوانه زدن حباب‌های نیستی در آزمایشگاه

این حلقه اتمی که در وضعیت آشفتگی قرار گرفته بود، شروع به فروپاشی به سمت حالت پایه یا همان انرژی کمتر کرد. سرعت این فروپاشی به شدتِ لیزرِ شکننده‌ی تقارن بستگی داشت. این مشاهده کاملاً با سازوکار پذیرفته‌شده‌ای که فروپاشی خلاء کاذب را هدایت می‌کند، یعنی جوانه زدن یک حباب کوانتومی حاوی خلاء حقیقی، مطابقت دارد. هرچه شرایط برای تشکیل حباب مهیا‌تر باشد، احتمال وقوع این گذار و فروپاشی کل سیستم بیشتر می‌شود.

اگرچه این آزمایش مستقیماً به ما نمی‌گوید که جهان چه زمانی نابود می‌شود، اما پیش‌بینی‌های نظری درباره چگونگی وقوع این فرآیند را تایید می‌کند. سیستم اتم‌های ریدبرگ اکنون به عنوان یک زمین بازی جدید برای فیزیکدانان عمل می‌کند تا در مرزهای برخورد فیزیک کوانتوم و نسبیت به تحقیق بپردازند. شاید روزی همین آزمایش‌ها به ما پاسخ دهند که چقدر باید نگران تغییر ناگهانی ماهیت جهان باشیم و آیا خلاء زیر پای ما واقعاً محکم است یا تنها یک لایه نازک روی یک اقیانوس بی‌انتها از انرژی است.

۰۶

پیشینه تاریخی و معمای پایداری بوزون هیگز

مفهوم فروپاشی خلاء کاذب ریشه در دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ میلادی دارد، زمانی که فیزیکدانانی همچون سیدنی کلمن به بررسی امکان گذار فاز در میدان‌های کوانتومی پرداختند. اما این موضوع زمانی به تیتر اول رسانه‌ها تبدیل شد که ذره بوزون هیگز کشف گردید. اندازه دقیق جرم بوزون هیگز نشان داد که جهان ما احتمالاً در یک وضعیت نیمه‌پایدار (Metastable) قرار دارد. این یعنی میدان هیگز، که به تمام ذرات جرم می‌دهد، ممکن است در پایین‌ترین سطح انرژی ممکن نباشد.

تحلیل‌های ریاضی نشان می‌دهند که اگر جرم بوزون هیگز کمی متفاوت بود، جهان ما یا تاکنون فروپاشیده بود و یا برای همیشه در پایداری مطلق باقی می‌ماند. این مرز باریک میان ثبات و نابودی، یکی از جذاب‌ترین مباحث فیزیک مدرن است. برخی نظریه‌پردازان معتقدند که نوسانات کوانتومی در سیاهچاله‌ها یا رویدادهای پرانرژی کیهانی می‌توانند کاتالیزوری برای شروع این فرآیند باشند، هرچند محاسبات فعلی نشان می‌دهند که عمر تخمینی جهان ما تا وقوع چنین رویدادی بسیار طولانی‌تر از عمر فعلی آن است.

۰۷

پیامدهای فلسفی و علمی تغییر قوانین فیزیک

بزرگ‌ترین وحشت در مورد نظریه فروپاشی خلاء کاذب این نیست که ما می‌میریم، بلکه این است که ماده به شکلی که می‌شناسیم دیگر نمی‌تواند وجود داشته باشد. در صورت وقوع این گذار، ثابت‌های فیزیکی مانند جرم پروتون یا شدت نیروهای هسته‌ای تغییر می‌کنند. این یعنی اتم‌ها دیگر شکل نمی‌گیرند، ستاره‌ها از هم می‌پاشند و حیات در هر شکلی که تصور کنیم غیرممکن می‌شود. این یک بازنویسی کامل از نرم‌افزار هستی است که روی سخت‌افزار فضا-زمان اجرا می‌شود.

از نگاه علمی، مطالعه این پدیده به ما اجازه می‌دهد تا فرآیند تورم کیهانی را بهتر درک کنیم. بسیاری از فیزیکدانان بر این باورند که جهان در لحظات اولیه پس از بیگ‌بنگ، یک گذار مشابه را تجربه کرده است که منجر به انبساط سریع و ناگهانی فضا شده است. بنابراین، شبیه‌سازی اتم‌های ریدبرگ نه تنها نگاهی به آینده احتمالی جهان است، بلکه پنجره‌ای رو به گذشته دور و چگونگی شکل‌گیری قوانین فیزیکی فعلی ما نیز محسوب می‌شود.

جمع‌بندی نهایی

پژوهش جدید روی اتم‌های ریدبرگ نشان داد که مرز میان ثبات ابدی و نابودی ناگهانی کیهان، نه در کهکشان‌های دوردست، بلکه در قلب قواعد حاکم بر میدان‌های کوانتومی نهفته است. شبیه‌سازی موفقیت‌آمیز فروپاشی خلاء کاذب در آزمایشگاه، تایید کرد که جهان ما ممکن است واقعاً در یک وضعیت نیمه‌پایدار قرار داشته باشد که تحت شرایط خاص، قابلیت بازنویسی کامل را دارد. این یافته‌ها نه تنها درک ما را از سرنوشت نهایی کیهان عمیق‌تر می‌کنند، بلکه ابزار نیرومندی برای پیوند دادن مکانیک کوانتومی و نسبیت عام در اختیار دانشمندان قرار می‌دهند. اگرچه ایده پایان ناگهانی جهان ترسناک است، اما همین شکنندگی ظاهری است که به فیزیکدانان اجازه می‌دهد تا با مطالعه نقاط بحرانی، به رازهای بنیادین خلقت و منشأ پایداری ماده پی ببرند.