اثر کازیمیر و انرژی نقطه ی صفر (zpe)

این اثر شامل نیرویی می شود که نه می توان آن را اثر بار و نه گرانش و نه رد و بدل کردن ذرات بین دو جسم دانست. آزمایشات کازیمیر نشان می داد که این نیرو مربوط به تشدید (Resonance) میادین انرژی در میان فضای دو جسم می باشد. پس آیا خلا از خود انرژی دارد؟

اثر کازیمیر و انرژی نقطه ی صفر ((ZPE

ابتدا توضیح جامعی در مورد اثر کازیمیر (Casimir Effect) می دهیم.
این اثر شامل نیرویی می شود که نه می توان آن را اثر بار و نه گرانش و رد و بدل کردن ذرات بین دو جسم دانست.
آزمایشات کازیمیر نشان می داد که این نیرو مربوط به تشدید (Resonance) میادین انرژی در میان فضای دو جسم می باشد. از آنجاییکه اعمال این نیرو دارای اثبات ریاضی است محققان این نیرو را به ذراتی مجازی در فضای بین دو جرم نسبت دادند. اما با این وجود مشکلات زیادی در آزمایش ها بود. برای مثال محققان تا به حال متوجه نشده اند چرا این نیرو در بین دو جرم تنها هنگامی اعمال می شود که دو جرم بسیار به هم نزدیک هستند!
این نیرو در ذرات بسیار کوچک میکرونی رسانا نیروی غالب به شمار می رود زیرا در این شرایط نیروی بار بین ذرات بسیار کم خواهد بود. این مورد در آزمایش کازیمیر در سال ۱۹۴۸ به طور واضح دیده شد. اما سوال دیگری بعد از آن بوجود آمد که چرا این اثر تنها در خلا نمایان می شود؟
سال ۱۹۴۸ هندریک کازیمیر (Hendrik B.G. Casimir) فیزیکدان هلندی در آزمایشگاه فیلیپس (Philips) دو صفحه ی فلزی بدون بار را در خلا موازی یکدیگر قرار داد. نیروی مشاهده شده در این آزمایش (بین دو صفحه) تقریبا ۱۵ درصد آن چیزی بود که او در معادلات خود پیش بینی می کرد!
بعد از این آزمایش دانشمندان نیز دریافتند این نیرو همان نیرویی است که در بین اتم های بدون بار وجود دارد. نیرویی که آن را واندروالس (Van Der Waals) نامیده بودند.


"آزمایش کازیمیر״: نیروی بوجود آمده از قرار دادن دو صفحه ی موازی بدون بار در خلا"

خود کازیمیر دلیل این موضوع را متوجه نشد که چرا این صفحات تنها در خلا بین خود نیرو رد و بدل می کنند ولی آن را به مقداری به نام ارزش انتظاری (فرضی) خلا مرتبط کرد و بیان نمود از آنجا که مکان های دیگر این ارزش را ندارند پس در آنجا چنین واکنشی صورت نخواهد گرفت.
برای مثال این مقدار در مکانیک هگز بوزون ۲۶ گیگا الکترون ولت می باشد.
بعد از این فرضیه به سرعت فرضیه ی دیگری با نام انرژی نقطه ی صفر (ZPE) یا انرژی خلا بیان شد. دانشمندان در صدد بودند تا از مشاهداتی که داشته اند دریابند که آیا انرژی و اثرات خلا دارای یک ثابت است و جز نیروهای اولیه محسوب می شود یا نه؟
از آنجاییکه اگر این ذرات خلا وجود داشتند دارای جرم نبودند پس فرض کردند که این انرژی باید کوچکترین انرژی امکان پذیر در یک سیستم مکانیک کوانتومی باشد.
فرض بعدی از این قرار بود که هر سیستم کوانتومی خود دارای یک مقدار دارای نظم از این انرژی باشد. یعنی بین این مقادیر در سیستم های مختلف نظم و رابطه ای ریاضی برقرار باشد.
حال هرجا این مقدار انرژی به مقدار همیلتونین (Hamiltonian) برسد به آن ارزش انتظاری خلا یا انرژی خلا می گویند.
اعتقاد تئوری ما بر این است که Casimir Effect و van der Waals force هر دو در تلاش بوده اند تا نیرو (یا انرژی ای) را پیدا کنند که جز عوامل شناخته شده نباشد.
این عامل همان خلا می باشد که طبق مدل مکانیک ما از لحاظ نیرو یا انرژی طبقه بندی می شود.
این عامل بین دو بازه ی نیرو و انرژی قرار دارد. سرعتی که این عامل تماما از نیرو می باشد را در مدل صفر فرض کرده ایم و در سرعت مربع نور عامل کاملا انرژی می شود. اما به طور معمول و در اثر گرانش که برآیند نیروی این عامل و دافعه ی ماده است مقدار نیرو در اثرات این عامل جذری از مقدار انرژی در آن است. (مقادیر بازه ی بالا و پایین برای حد خلا تعریف نمی شوند. زیرا خلا در سرعت تقریبی ثابتی دفع و ایجاد گرانش می کند).
جرم قبل از اینکه به انرژی تبدیل شود طبق فرمول هم ارزی و ثابت مرتبط به نیرو تبدیل می شود.
در واقع ما بیان می کنیم که هرجسم شتاب دار از یک ذره ی مشخص تشکیل نشده و خود از سه عامل جرم – نیرو و انرژی به نسبت سرعتش ایجاد شده که نام آن را عامل ناشناخته یا U agent (Unknown Agent) انتخاب کرده است.
اما تفاوتی که این تئوری با فرضیه های قبلی دارد در این می باشد که این نظریه مفهوم جدیدی از خلا و ذرات آن را تعریف می کند. اثر کازیمیر همراه با بیان چندی از اثرات خلا ذرات آن را دارای اسپین و انرژی و قطبیدگی و غیره می نامد. در صورتیکه ما آن ذرات را به صورت ضد ماده با خواص محدود و و جدا از خواص مادی بیان می کند،می شناسیم.
با همه ی این تفاسیر بزرگترین سوال فیزیک در سال ۲۰۰۶ این بوده است که چرا این مقدار انرژی نقطه ی صفر اشباع نمی شود و باعث یک مقدار کیهانی بزرگ نمی گردد؟
جواب ما ساده است: به خاطر اینکه گرانش را ایجاد می کند و مطلقا از انرژی نیست.

اما قبل از اینکه بیشتر وارد تشریح امر شویم بهتر است انرژی نقطه ی صفر (ZPE) را کمی بیشتر توضیح دهیم.
همانطور که به صورت خلاصه بیان کردیم انرژی نقطه ی صفر (ZPE) کمترین مقدار انرژی ای است که یک سیستم مکانیک کوانتومی می تواند داشته باشد. هر سیستمی مقدار انرژی نقطه ی صفر مخصوص به خود را دارد اما پایین ترین مقدار آن را به خلا نسبت می دهند. انرژی نقطه ی صفر خلا به صورت واضحی از اثر کازیمیر نتیجه می شود و محققان احتمال می دهند راز ثابت کیهانی در این مورد نهفته باشد. همچنان که گفتیم مقدار انرژی نقطه ی صفر در اثر کازیمیر خود مرتبط به ارزش انتظاری خلا و مقدار همیلتونین است.
این مقدار توضیح تا اینجای کار کافی است.
گفتیم که دانشمندان همواره از خود می پرسند چرا انرژی نقطه ی صفر اگر منشایی مانند خلا دارد چرا در دنیا اشباع نمی شود. همانطور که در بخش معرفی خواندید ما گرانش را برآیند نیروهای دافعه ی خلا و ماده می دانیم. اینگونه مشاهده می کنید که نیروی ایجاد شده از این اثر همان گرانش است. بنابراین دلیلی برای اشباع شدن نیست.
دلیل دوم این است که طبق مدل مکانیک ما دفع خلا در سرعت نور انجام می شود و در این سرعت عامل را تماما نمی توان به انرژی مرتبط کرد. به مقدار جذری از انرژی کل در عامل نیز جرم وجود دارد و طبق فرمول هم ارزی به همین نسبت نیز همواره نیرو در عامل ایجاد می شود.
تا قبل از این هرگونه اثری را تنها به انرژی خلا مرتبط می ساختند زیرا این موارد حتی برای یک جرم تنها در خلا نیز اتفاق می افتاد! هنوز هم برای فیزیکدانان این یک مسئله است که چطور خلایی را که خالی تصور می کنیم چنین اثراتی دارد؟ این اثرات را باید به کدام ذره نسبت داد؟ یک ذره ی مجازی؟
اگرچه دانشمندان در سالهای اخیر به خصوص ۱۹۸۰ سعی داشتند گرانش را به انرژی ربط دهند و این امر را نیز توجیه کنند اما با مشاهده ی رفتارهای دنیا فرض آنها با شکست مواجه شد.
در حال حاضر نیز ۳ چیز در کیهان شناسی وجود دارد که کاملا مرتبط به هم هستند اما هرسه بدون پاسخ باقی مانده اند:
۱) ثابت کیهانی
۲) انرژی خلا
۳) انرژی نقطه ی صفر!
حال می دانیم که این اثر با آنکه مرتبط به خلا است اما نباید کاملا آن را به انرژی نسبت داد. همچنین ماده ای در این امر دخیل نیست و این تنها کنش میان خلا (ضدماده) و ماده است. به همین گونه توانستیم هر سه مورد را با دلایلی که فقط راز آنها نهفته در دفع خلا (ضدماده) با ماده بود توجیه کنیم.