فیزیکدانان نیرویی شبیه به اصطکاک در خلأ کامل شناسایی کردند

یکی از اساسی‌ترین اصول فیزیک مدرن این است که در خلأ کامل، یعنی یک مکان کاملا عاری از ماده، احتمالا هیچ نیروی اصطکاکی نمی‌تواند وجود داشته باشد؛ چرا که فضای خالی قادر نیست نیرویی بر سطح عبورکننده از روی خود اعمال کند.

با وجود این باور متعارف، فیزیکدانان در انگلستان کشف کردند که یک اتم در حال زوال، هنگام عبور از خلأ کامل، نیرویی شبیه به اصطکاک را تجربه می‌کند. آن‌ها متوجه شدند که این پدیده، نه‌تنها نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین را نقض نمی‌کند، بلکه آن را تقویت می‌کند.

ماتیاس سانلیتنر، از دانشگاه گلاسکو و یکی از اعضای این گروه تحقیقاتی، می‌گوید:

ما دوره‌ای طولانی را در حال جستجو برای خطا در محاسبات سپری کردیم و زمان طولانی‌تری صرف کاوش دیگر اثرات عجیب کردیم تا اینکه به این راه حل (نه چندان ساده) رسیدیم.

سانلیتنر و همکارانش در حال انجام محاسبات به‌منظور پیش‌بینی رفتار یک اتم در حال زوال در یک محیط خلأ کامل، متوجه پدیده‌ای عجیب شدند. برای سال‌ها، فیزیک‌دانان اعتقاد داشتند که خلأ کامل نمی‌تواند هیچ نیرویی به یک اتم وارد کند؛ اما می‌تواند با آن برهم‌کنش داشته باشد.

از نظر فیزیکی برای فیزیک‌دانان ساختن خلأ کامل غیر ممکن است؛ زیرا هیچ میزان از تخلیه‌ی محیط نمی‌تواند تضمین کند که حتی یک اتم سرگردان هم در محیط باقی نمانده است؛ اما محاسبات پیش‌بینی‌ می‌کنند یک خلأ که از نظر تئوری کامل و پر از جفت‌های ماده-پادماده‌ی مجازی است که مرتبا به وجود می‌آیند و از بین می‌روند، در واقع با انرژی ناآشنای خود در حال ارتعاش است.

این توصیف «تهی اما ناتهی» از یک خلأ کامل، از یکی از جنبه‌های مکانیک کوانتوم که اصل عدم قطعیت هایزنبرگ نامیده می‌شود، سرچشمه می‌گیرد که بر اساس آن، ذرات بی‌شماری می‌توانند به لحاظ تئوری در یک محیط خلأ و در زمان‌های تصادفی به وجود آیند و از بین بروند.

این تغییرات کوانتومی، میدان‌هایی الکتریکی ایجاد می‌کنند که به صورت تصادفی نوسان می‌کنند. محاسبات تیم گلاسکو توصیف می‌کند که چگونه این میدان‌های الکتریکی متناوب با یک اتم گذرنده از خلأ فعل و انفعال می‌کنند و باعث می‌شوند اتم با جذب انرژی، به یک حالت برانگیخته وارد شود. اتم موردنظر با برگشتن به سطح انرژی پایین‌تر (زوال)، یک فوتون (یا ذره‌ی نور) از خود در جهتی تصادفی ساطع می‌کند.

هنگامی‌که تیم تحقیقاتی در حال محاسبه‌ی این بود که وقتی یک فوتون آزاد می‌شود، در حالی که اتم در جهت مخالف فوتون در حال حرکت است، چه اتفاقی رخ می‌دهد؛ آن‌ها یک نیروی شبه اصطکاک شناسایی کردند که باعث کاهش سرعت اتم می‌شود. اگر این یافته درست باشد، می‌تواند اصل نسبیت را نقض کند؛ زیرا بیانگر این است که ناظران این پدیده بسته به موقعیت آن‌ها نسبت به اتم، ممکن است شاهد حرکت اتم با سرعت‌های متفاوتی باشند.

به گفته‌ی سانلیتنر، تیم تحقیقاتی هفته‌ها مشغول سنجیدن صحت یافته‌های خود بودند تا اینکه در نهایت جواب خود را در معادله‌‌ی E=mc2 یافتند. آن‌ها متوجه شدند که برگشتن اتم در حال حرکت به سطح انرژی پایین‌تر و انتشار یک فوتون در جهتی تصادفی، باعث از دست دادن مقدار بسیار کمی انرژی می‌شود که معادل از دست دادن مقدار بسیار کمی از جرم است.

این مقدار بسیار کم از جرم به عنوان کسر جرم شناخته می‌شود و مقدار آن به قدری ناچیز است که در این زمینه تا پیش از این هیچ‌‌گونه اندازه‌گیری انجام نشده است. در گزارش وب‌سایت Phys.org آمده است:

این همان جرم فرمول معروف E=mc2 اینشتین است که میزان انرژی مورد نیاز برای شکستن هسته‌ی اتم به پروتون‌ها و نوترون‌های آن را توصیف می‌کند. این انرژی که انرژی پیوند داخلی نامیده می‌شود، به طور معمول در فیزیک هسته‌ای که با انرژی‌های پیوند بزرگ‌تری سروکار دارد، به حساب می‌آید؛ اما معمولا در در زمینه‌ی نورشناسی (اپتیک) اتم که زمینه‌ی این مطالعه است، به دلیل سطح انرژی بسیار کمتر، از آن چشم‌پوشی می‌شود.

هنگامی‌که محققان، این مقدار کسر جرمی را در محاسبات خود وارد و از فرمول E=mc2 برای حل آن استفاده کردند، دریافتند که با از دست دادن مقدار بسیار کمی از جرم به هنگام زوال، اتم در واقع به جای سرعت، تکانه را از دست می‌دهد. اگر به رابطه‌ی بین اصطکاک، سرعت و تکانه نگاه کنیم، درمی‌یابیم که دانشمندان به‌جای دیدن اصطکاک ناشی از تغییر تکانه به دلیل کاهش سرعت، در واقع کاهش تکانه‌ی ناشی از تغییری کوچک در جرم را شناسایی کردند. البته همان‌طور که انتظار داریم، سرعت آن ثابت باقی می‌ماند.

بنابراین به جای نقض نسبیت با نشان دادن وجود اصطکاک در خلأ، این پدیده در واقع منجر به نتیجه‌ای شده است که اصول نسبیت پیش‌بینی می‌کنند: کاهش جرم در اتم منجر به از دست دادن مقدار بسیار کمی تکانه می‌شود، یعنی دقیقا همان چیزی که توسط اصل پایستگی انرژی و تکانه در نسبیت خاص پیش‌بینی شده است.

تیم تحقیقاتی در مقاله‌ی خود چنین نتیجه‌گیری می‌کنند:

ما نشان دادیم که یک اتم در حال زوال با نیرویی شبیه اصطکاک مواجه می‌شود؛ با این حال، این نیرو ناشی از تغییر در تکانه به دلیل تغییر در انرژی جرم داخلی است و با کاهش سرعت ارتباطی ندارد.

بر اساس اعلام این تیم، مرحله‌ی بعدی این است که ببینیم آیا این پدیده در صورتی که اتم به‌جای آزاد کردن فوتون، فوتون جذب کند، اتفاق می‌افتد یا خیر. شاید نتیجه‌ی این مطالعه بتواند برای کمک به توضیح مطالعه‌ی دیگری که از وجود اصطکاک در خلأ کامل خبر داده است، مورد استفاده قرار گیرد. در مطالعه‌ای که در سال ۲۰۱۱ انجام شد، فیزیک‌دانان پیشنهاد کردند که اگر در یک خلأ کامل، ذرات مجازی که در مقابل حرکت یک جسم چرخنده مقاومت می‌کنند، بیشتر از ذرات در حال حرکت در همان جهت باشند، آن‌گاه ممکن است اصطکاک وجود داشته باشد.

این مقاله هنوز در مرحله‌ی داوری است؛ اما یک چیز را می‌توان با اطمینان گفت: در خلأ پدیده‌های واقعا عجیبی اتفاق می‌افتد.