انرژی نقطه صفر  

زوج ماده‌ - ماده‌های خنثی عامل اصلی انرژی نوسان خلاء یا انرژی نقطه صفر هستند

به استناد تعاریف فعلی / "    بدون هیچگونه میدان خارجی و با حذف تمامی اشعه‌ها ، باز هم انرژی نوسانات خلاء وجود دارد . در واقع فضا در پایین‌ترین نقطه پتانسیل خود ، دارای مقدار انرژی مخالف صفر است . انرژی نقطه صفر یا انرژی نوسان خلاء ، اصطلاحی است که برای نوسانات تصادفی امواج الکترومغناطیسی در خلاء بکار برده میشود و این انرژی پس از حذف تمام انرژی‌های موجود در محیط ، باز هم مشاهده می‌شود . مفهوم انرژی نقطه صفر نخستین بار توسط انیشتین و اوتو استرن در سال 1913 تحت عنوان « انرژی رسوبی »  یا  « انرژی مبهم صفر » مطرح شد . همه سیستم‌های کوانتومی دارای یک مقدار انرژی نقطه صفر هستند . این اصطلاح عموما برای حالت‌های کوانتومی نوسانات هماهنگی بکار می‌رود که در آن نوسان کننده‌ای وجود ندارد . در کیهان شناختی نیز انرژی خلاء مبنای ثابت کیهان شناختی است . نمونه آزمایشی انرژی نقطه صفر مستقیما توسط اثر کاسیمیر (  کازیمیر ) در مقیاس نانو مشاهده شد . یک روش برای توضیح این پدیده ، استفاده از اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتومی است که به موجب آن انرژی نمی‌تواند به طور مطلق صفر باشد . مسئله مهم دیگری ، فرایند تولید ذرات مجازی است که نتیجه اصل عدم قطعیت است و طبق رابطه زیر امکان پذیر است :

  ћ=h/2π  ,  ∆E∆T≥ћ

که طی آن خلاء ممکن است یک یا چند ذره با انرژی E∆ در مدت کوتاه T∆ تولید کند . بنابرین هرگونه تجزیه و تحلیلی باید بتواند تولید ذرات در خلاء حتی تابش هاوکینگ در یک میدان قوی گرانشی ، نظیر میدان گرانشی سیاه چاله‌ها را توجیه کند . "

گوردن کانه نظریه پرداز فیزیک ذرات بنیادی و استاد دانشگاه میشیگان که کارهای او روی آزمایش و گسترش مدل استاندارد متمرکز است ، ده سوال بی‌جواب فیزیک را منتشر کرده است . اولین سوال مطرح شده این است که همه نظریه‌های امروزی به‌ طور ضمنی بیان می‌کنند که جهان باید حتی در خالی‌ترین مناطق خود شامل تراکم شدید انرژی باشد . اثرات گرانشی این پدیده که آن را انرژی خلاء می‌نامند ، یا می‌بایست جهان را مدتها پیش درهم تنیده باشد یا باعث گسترش آن به مقداری بسیار بیش از اندازه کنونی شده باشد . مدل استاندارد نمی‌تواند برای فهمیدن این نکته که مسئله ثابت کیهان‌شناسی نامیده می‌شود ، کمکی کند ! 

اما موضوع بسیار مهم این است که ما باید همواره این نکته را به یاد داشته باشیم که انرژی نقطه صفر دارای ماهیتی الکترومغناطیسی است ، بنابرین عنصر یا عامل تولید کننده این انرژی نیز باید از ویژگی‌های میدان‌های الکترومغناطیسی برخوردار باشد ، یعنی باردار باشد تا بتواند ویژگی‌های الکترومغناطیسی انرژی نقطه صفر را توجیه کند . و ما میتوانیم از اثرات ( میدانهای ) گرانشی موجود در خلاء چشم پوشی کنیم . ولی همانطور که می‌دانیم دسترسی به مکانی بدون هیچگونه میدان خارجی و با حذف تمامی اشعه‌ها ( صفر کلوین ) اگر غیر ممکن نباشد کار بسیار سختی است ، برای اینکه اگر ما از هر مانعی استفاده کنیم ممکن است میادین بر آن مانع القا شده و بعد خود همین مانع ، مولد میدان شود و همچنین ممکن است این مانع خود جاذب اشعه و سپس مولد و دافع این اشعه شود ، ولی به هر حال میتوان اینگونه فرض کنیم که در هستی هیچ سکونی وجود ندارد ، به طور مثال اتم‌ها و ملکول‌ها با سرعتهای بسیار بالا در حال نوسان هستند که در جامدات دامنه این نوسانات کم ولی در گازها این دامنه نوسانات نسبتا زیاد است و همواره اتم‌ها و ملکولها با شدت با هم برخورد و تصادم دارند . در مورد خلاء و زوج ماده - ماده‌های خنثی هم اینگونه است ، در واقع زوج ماده - ماده‌های خنثی همواره در نوسان هستند و با هم برخورد دارند و این برخوردها باعث بوجود آمدن تغییر در سرعت زاویه‌ای ( اسپین ) ذرات شده که به نوبه خود مولد امواج الکترومغناطیس است . در پاره‌ای از موارد ممکن است پیوندها در بازه زمانی بسیار کوتاهی گسسته و مجددا برقرار شوند و همچنین بسیار محتمل است که تصادم مابین زوج الکترون - الکترونها و زوج پروتون - پروتونها رخ دهد که در لحظه برخورد علی‌رغم تولید و انتشار امواج الکترومغناطیس ، چنانچه برخوردها شدید باشد شاهد پدیدار شده اتمهای هیدروژن و یا پاد هیدروژن و .... باشیم ، آشکار شدن ذرات و پاد ذرات نیز بسیار محتمل و توجیه پذیر است که در نوع خود بسیار شگفت انگیز خواهد بود ( یعنی آفرینش ذرات و اتم یا زایش آنها از خلاء ) ، ولی به طور کلی برخورد و تصادم زوج ماده - ماده‌های خنثی انرژی‌زا است و آنهم از نوع الکترومغناطیسی و این پدیده در همه جا عملی و ممکن است حتی درون اطاق یا خانه‌ای که درون آن هستیم . پیوند مجدد ذرات با دریافت انرژی از محیط یا خلاء همراه است که این فرایند دمای خلاء را متعادل نگه می‌دارد . اما موضوع مهم این است که ما نمی‌توانیم میدان الکتریکی را مستقل از میدان مغناطیسی در نظر بگیریم و برعکس که در مورد ماده و انرژی برای ما در این عالم فیزیکی آفریده شده هم این چنین است ، یعنی هر جا انرژی باشد باید به دنبال ماده یا جرم ( یعنی منبع تولید و انتشار آن ) باشیم و هر جا ماده یا جرم باشد باید به دنبال تولید و انتشار انرژی بود ، تصور این دو به تنهایی و انفرادی برای ما غیر ممکن به‌نظر می‌رسد . زوج ماده - ماده‌های خنثی می‌توانند حجم و جرم بسیار عظیمی از کیهان را تشکیل داده باشند که نه تنها قابل مشاهده و احساس نیستند بلکه انرژی بسیار عظیمی را درون خود محبوس و به دام انداخته‌اند . به طور خلاصه اگر زوج ماده - ماده‌های خنثی در آزمایشگاه شناسایی شوند ما در علم فیزیک نیاز به یک خانه تکانی بزرگ خواهیم داشت البته اگر بتوانیم از نظریات قبلی دست بکشیم و نگرش جدیدی نسبت به آزمونها داشته باشیم که در نهایت مفاهیم علم فیزیک عصر ما دگرگون خواهند شد . اگر ما انرژی نسبتا زیادی را در نقطه‌ای از فضا ( خلاء ) متمرکز و یا تشدید کنیم به نحوی که موفق به گسستن پیوند مابین زوج ماده - ماده‌های خنثی شویم ، بعد از انحراف و جداسازی آنها خواهیم توانست با شتاب دهنده‌ها این ذرات را در آشکارسازها مشاهده کنیم .

به طور خلاصه همانطور که در مبحث ( وارونگی میادین الکتریکی ، توجیهی جدید برای تولید زوج ماده - پاد ماده . بر خلاف انتظار ما ، ماده - پاد ماده یکدیگر را نابود نمی‌کنند  ) توضیح داده شد الکترونها و سایر ذرات باردار ساکن نیستند و حول محور فرضی خود با سرعت چرخشی بسیار بالایی در حال دوران هستند که به این دوران آنها اسپین گفته میشود . اگر دوران الکترون را موافق چرخش عقربه‌های ساعت فرض کنیم و آن را از بالا بنگریم مشاهده میشود که :  

امتداد خطوط میدان از مرکز الکترون یا میدان الکتریکی ، خارج  و حول مرکز به صورت دوایری تو در تو و پیوسته در می‌آید که میتوانیم آن را یک میدان الکتریکی بسته و تا بینهایت در نظر بگیریم ، برای اینکه این میدان دایره‌ای شکل هیچ آغاز و پایانی ندارد . همانطور که میدانیم ، هرگاه میدان الکتریکی در فضا برقرار شود ، میدان مغناطیسی عمود بر امتداد آن پدیدار خواهد شد و برعکس آن نیز صادق است که به مجموعه این دو میدان در فضا ، میدان الکترومغناطیس گفته میشود .  

در شکل فوق نمای الکترون ( سطح دایره‌ای قرمز رنگ ) از پهلو و در حال دوران حول محور عمودی نشان داده شده است ، به گونه‌ای که اگر از بالا به آن بنگریم جهت چرخش آن موافق جهت چرخش عقربه‌های ساعت خواهد بود . خطوط افقی سیاه رنگ ، میادین الکتریکی و فلش قرمز رنگ جهت میدان  الکتریکی از روبرو را نشان میدهد که در این صورت جهت فلشهای آبی رنگ ، جهت میدان مغناطیسی تشکیل شده را نشان میدهد . با توجه به دو قطبی بودن الکترون و ذرات باردار دیگر ، آنها میتواند تشکیل زوج ماده - ماده دهند یعنی شکل زیر : 

یک زوج ماده - ماده خنثی یا یک سیستم دوتایی با میدان الکترومغناطیسی بسته را میتوان چنین فرض کرد .

همانطور که در شکل فوق مشخص است میادین الکتریکی و مغناطیسی ( الکترومغناطیسی ) به صورت بسته در آمده و زوج در خارج از میادین  خنثی بنظر رسیده و غیر قابل شناسایی است . تنها زمانی که این زوج‌ها با هم تصادم و تماس حاصل کنند امواج الکترومغناطیس تولید و منتشر خواهد شد که ما چنین استنباط خواهیم کرد که این انرژی و نوسان آن مربوط به خلاء است که در واقع چنین نیست .  

این انرژی الکترومغناطیسی که به نام انرژی نوسان خلاء یا انرژی نقطه صفر شناخته شده است مربوط به تصادم زوج ماده - ماده‌های خنثی میشود . البته همانطور که می‌دانیم طول موج این امواج الکترومغناطیسی خیلی بیشتر از قطر ذرات باردار است حتی قطر خود اتمها و طول موج این امواج تابع سرعت زاویه‌ای ذرات باردار میباشد ، موضوعی است که در مبحث تولید و انتشار امواج الکترومغناطیس به آن خواهیم پرداخت .

اینک سعی می کنیم نیروی حاصل از اثر کازیمیر مابین دو آینه ( صفحه فلزی تخت ) موازی را توجیه کنیم :

همانطور که می دانیم این نیرو در فواصل خیلی کم ( در فواصل میکرو و نانو متری ) آشکار میشود . با توجه به شکل زیر دلیل این پدیده میتواند این باشد که : 

دا شدن زوج ذرات از یکدیگر خیلی سریع و در فواصل بسیار کوتاهی انجام می پذیرد و در هنگام جدایی زوج ، دو بار الکتریکی   مثبت و منفی پدیدار میشود که آینه ها همانند دو صفحه یک خازن عمل کرده و ذرات باردار موقتا روی آنها مستقر شده و در زمان بازگشت به جانب یکدیگر جهت تشکیل زوج ذره جدید ، صفحات را به طرف یکدیگر می کشانند و این نیروی کشش تا یک اتمسفر ( یک کیلوگرم یا 10 نیوتن بر سانتی متر مربع ) اندازه گیری شده است ، یعنی شکل زیر : 

جالب اینجاست که دورتر از فواصل میکرونی این نیرو مشهود نیست و دلیل آن میتواند این باشد که اکثر زوج ذرات در هنگام گسسته شدن پیوند ، بیشتر از این فاصله از همدیگر دور نمیشوند .

محاسبه سرعت تصادم زوج الکترون - الکترونها با یکدیگر : 

 انرژی جنبشی که میبایست معادل کمترین انرژی لازم برای تولید زوج الکترون - پوزیترون باشد ، m جرم که جرم دو زوج الکترون ( چهار الکترون ) در تصادم شاخ به شاخ در نظر گرفته میشود و v  سرعت الکترونها میباشد و از دیدگاه مکانیک کلاسیک سرعت تصادم میبایست معادل سرعت نور باشد که با در نظر گرفتن قوانین نسبیت و فیزیک کوانتوم با توجه به افزایش جرم و انرژی ذرات در سرعتهای بالا ، سرعت تصادم مسلما کمتر از سرعت نور خواهد بود .