حتى يتوقف الفراغ عن كونه خواء

الفراغ هو المكان الذي يحدث فيه الكثير، حتى لو لم تتمكن من رؤيته. ومع ذلك، لمعرفة ما الذي يتطلب بالضبط الكثير من الطاقة، والذي بدا حتى وقت قريب أنه من المستحيل على العلماء النظر في عالم الجسيمات الافتراضية. عندما يتوقف بعض الناس في هذا الموقف، يكون المستحيل بالنسبة للآخرين حافزًا للمحاولة.

ووفقا لنظرية الكم، يمتلئ الفضاء الفارغ بجسيمات افتراضية تنبض بين الوجود والعدم. كما أنها غير قابلة للاكتشاف تمامًا، إلا إذا كان لدينا شيء قوي للعثور عليها.

- عادةً، عندما يتحدث الناس عن الفراغ، فإنهم يقصدون شيئًا فارغًا تمامًا، حسبما قال عالم الفيزياء النظرية ماتياس ماركلوند من جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في جوتنبرج بالسويد، في عدد يناير من مجلة NewScientist.

اتضح أن الليزر يمكن أن يُظهر أنه ليس فارغًا على الإطلاق.

الإلكترون بالمعنى الإحصائي

الجسيمات الافتراضية هي مفهوم رياضي في نظريات المجال الكمي. وهي عبارة عن جسيمات فيزيائية تظهر وجودها من خلال التفاعلات، ولكنها تكسر مبدأ الغلاف الشامل.

تظهر الجسيمات الافتراضية في أعمال ريتشارد فاينمان. ووفقا لنظريته، فإن كل جسيم فيزيائي هو في الواقع مجموعة من الجسيمات الافتراضية. الإلكترون المادي هو في الواقع إلكترون افتراضي يصدر فوتونات افتراضية، والتي تضمحل إلى أزواج إلكترون-بوزيترون افتراضية، والتي بدورها تتفاعل باستخدام فوتونات افتراضية - وهكذا إلى ما لا نهاية. الإلكترون "الفيزيائي" هو عملية تفاعل تحدث باستمرار بين الإلكترونات الافتراضية والبوزيترونات والفوتونات وربما جسيمات أخرى. "حقيقة" الإلكترون هي مفهوم إحصائي. من المستحيل تحديد أي جسيم من هذه المجموعة حقيقي حقًا. كل ما نعرفه هو أن مجموع شحنات كل هذه الجسيمات ينتج عنه شحنة الإلكترون (أي، بكل بساطة، يجب أن يكون هناك إلكترون افتراضي واحد أكثر من عدد البوزيترونات الافتراضية) وأن مجموع كتل الإلكترونات جميع الجسيمات تخلق كتلة الإلكترون.

يتم إنشاء أزواج الإلكترون والبوزيترون في الفراغ. أي جسيم ذو شحنة موجبة، مثل البروتون، سوف يجذب هذه الإلكترونات الافتراضية ويطرد البوزيترونات (باستخدام الفوتونات الافتراضية). وتسمى هذه الظاهرة الاستقطاب الفراغي. أزواج الإلكترون والبوزيترون تدور بواسطة بروتون

أنها تخلق ثنائيات أقطاب صغيرة تغير مجال البروتون بمجالها الكهربائي. وبالتالي فإن الشحنة الكهربائية للبروتون التي نقيسها ليست شحنة البروتون نفسه، بل هي شحنة النظام بأكمله، بما في ذلك الأزواج الافتراضية.

الليزر في الفراغ

يعود سبب اعتقادنا بوجود الجسيمات الافتراضية إلى أسس الديناميكا الكهربائية الكمية (QED)، وهو فرع من الفيزياء يحاول تفسير تفاعلات الفوتونات مع الإلكترونات. منذ تطور هذه النظرية في ثلاثينيات القرن الماضي، ظل الفيزيائيون يتساءلون عن كيفية التعامل مع مشكلة الجسيمات التي يعد وجودها ضروريًا رياضيًا ولكن لا يمكن رؤيتها أو سماعها أو الشعور بها.

يظهر QED أنه من الناحية النظرية، إذا قمنا بإنشاء مجال كهربائي قوي بما فيه الكفاية، فإن الإلكترونات الافتراضية المصاحبة لها (أو تشكل تكتل إحصائي يسمى الإلكترون) ستكشف عن وجودها وسيكون من الممكن اكتشافها. ويجب أن تصل الطاقة المطلوبة لتحقيق ذلك إلى حد يسمى حد شوينغر وتتجاوزه، والذي بعده يفقد الفراغ خصائصه الكلاسيكية ويتوقف عن أن يكون "فارغًا". لماذا ليس الأمر بهذه البساطة؟ لأن الكمية المطلوبة من الطاقة يجب أن تساوي إجمالي الطاقة التي تنتجها جميع محطات الطاقة في العالم - أضعاف مليار آخر.

يبدو الأمر بعيدًا عن متناول أيدينا. ولكن كما تبين، فإن هذا ليس هو الحال بالضرورة إذا استخدمنا تقنية الليزر للنبضات الضوئية القصيرة جدًا وعالية الكثافة، والتي تم تطويرها في الثمانينيات من قبل الفائزين بجائزة نوبل العام الماضي، جيرار مورو ودونا ستريكلاند. قال مورو نفسه صراحةً إن قوى الجيجا والتيرا وحتى البيتاوات التي حققتها لقطات الليزر الفائقة هذه تخلق فرصة لكسر الفراغ. تم تجسيد مفاهيمه في مشروع البنية التحتية للضوء الشديد (ELI)، بدعم من الصناديق الأوروبية وتم تطويره في رومانيا. يوجد ليزران بقدرة 80 بيتاواط بالقرب من بوخارست يريد العلماء استخدامهما للتغلب على حد شوينغر.

ومع ذلك، حتى لو كان من الممكن التغلب على قيود الطاقة، فإن النتيجة - وما سيظهر في نهاية المطاف لعيون الفيزيائيين - تظل غير مؤكدة للغاية. في حالة الجسيمات الافتراضية، تبدأ منهجية البحث بالفشل ولم تعد الحسابات منطقية. تظهر عملية حسابية بسيطة أيضًا أن جهازي ليزر ELI يولدان طاقة قليلة جدًا. حتى أربعة حزم مجتمعة لا تزال أقل بـ 10 مرة من المطلوب. ومع ذلك، فإن العلماء لا يثبطون ذلك، لأنهم يعتبرون هذا الحد السحري ليس بمثابة حد حاد لمرة واحدة، ولكن كمنطقة تغيير تدريجية. لذا فهم يأملون في الحصول على بعض التأثيرات الافتراضية حتى مع جرعات طاقة أقل.

لدى الباحثين أفكار مختلفة لتضخيم أشعة الليزر. أحدها هو المفهوم الغريب تمامًا المتمثل في انعكاس وتضخيم المرايا التي تتحرك بسرعة الضوء. وتشمل الأفكار الأخرى تقوية الأشعة عن طريق اصطدام أشعة الفوتون بأشعة الإلكترون أو اصطدام أشعة الليزر، وهو ما يقال إنه يتم بواسطة علماء من مركز الأبحاث الصيني Station of Extreme Light في شنغهاي. يعد مصادم الفوتون أو الإلكترون الكبير مفهومًا جديدًا ومثيرًا للاهتمام يستحق المراقبة.