منشأ انرژی نقطه صفر

از پیش بینی‌های حیرت آور نظریه كوانتومی یكی هم این است كه در هر سانتی متر مكعب فضای به ظاهر تهی مقدار عظیمی انرژی نهفته است. فیزیك‌دان‌ها این انرژی را انرژی نقطه صفر می‌نامند، زیرا در دمای صفر مطلق هم وجود دارد. اما با اینكه مطابق نظریه‌های ما این انرژی باید وجود داشته باشد و آزمایش‌ها هم دال بر همین امرند، فیزیك‌دان‌ها هنوز نتوانسته‌اند به این سؤال بسیار بنیادی پاسخ بدهند كه: انرژی نقطه صفر از كجا می‌آید؟
هرولد پوتاف، از مؤسسه مطالعات عالی آستین در تگزاس، وقت زیادی را صرف یافتن پاسخ این سؤال كرده است. محاسبات او نشان می‌دهد كه طیف تابش الكترومغناطیسی وابسته به انرژی نقطه صفر خود را از طریق فرایندی تولید می‌كند كه به قول او بی شباهت به گربه‌ای نیست كه دنبال دمش می‌گردد.
انرژی نقطه صفر با همه میدان‌های نیروی طبیعت، از جمله میدان الكترومغناطیسی همراه است. این انرژی به مجرد اینكه نظریه الكترومغناطیسی را با نظریه كوانتومی پیوند می‌دهیم، به طرزی كاملاً طبیعی سر از معادلاتی در می‌آورد كه میدان كوانتیده را توصیف می‌كند. با وجود این، انرژی نقطه صفر معمولاً مشاهده نمی‌شود. فیزیك‌دان‌ها به طور صوری انرژی نامحدودی به این زمین نسبت می‌دهند. ولی حتی موقعی هم كه در فركانس‌های زیاد، انقطاع مناسبی را اعمال می‌كنند، محافظه كارانه چگالی نقطه صفر را قابل قیاس با چگالی انرژی داخل هسته تخمین می‌زنند. چون عددهایی كه برای انرژی نقطه صفر به دست می‌آیند خیلی بزرگ‌اند، بیشتر اوقات نظریه‌دان‌ها آن‌ها را جدی تلقی نمی‌كنند. بعضی‌ها می‌گویند كه شاید این عددهای بزرگ ناشی از كاستی و نقص مكانیك كوانتومی باشد و یا اینكه تعبیر فیزیك‌دان‌ها از نظریه كوانتومی درست نیست. فیزیك‌دان‌ها در اینكه میدان‌های وابسته به انرژی نقطه صفر را حقیقی بشمارند یا مجازی معمولاً اختلاف نظر دارند؛ مجازی به این معنی كه ریاضیات نظریه كوانتومی آن را ایجاب می‌كند ولی شاید واقعیت فیزیكی نداشته باشد.
با وجود این اختلاف نظرها، هیچكس شكی ندارد كه میدان‌های وابسته به انرژی نقطه صفر به نتایج فیزیكی قابل سنجشی در آزمایشگاه می‌انجامند. یك مورد از این نتایج جابه‌جایی لمب در خطوط طیفی اتم است. میدان‌های فوق موجب اختلالی جزئی در الكترون اتم می‌شوند، به نحوی كه الكترون هنگام گذار از یك حالت به حالت دیگر، فوتونی گسیل می‌كند كه فركانس‌اش نسبت به مقدار عادی اندكی جابه‌جا شده است.
پیامد قابل اندازه‌گیری دیگر میدان‌های وابسته به انرژی نقطه صفر اثر كازیمیر است. اثر كازیمیر نیروی جاذبه‌ای است كه دو تیغه فلزی نزدیك به هم ظاهراً بر یكدیگر وارد می‌آورند. نیروی كازیمیر ناشی از فشار تابشی مربوط به انرژی نقطه صفر میدان الكترومغناطیسی زمینه است. عملاً، بعضی از طول موج‌های میدان این تیغه‌ها حذف می‌شود، و این امر به كاهش چگالی انرژی نسبت به چگالی انرژی فضای تهی می‌انجامد. این عدم توازن سبب می‌شود كه تیغه‌ها به سمت هم رانده شوند.
پوتاف در بررسی منشأ انرژی نقطه صفر به این نتیجه می‌رسد كه دو توضیح در این مورد می‌توان ارائه كرد. توضیح اول، كه او آن را رد می‌كند، این است كه انرژی نقطه صفر به هنگام پیدایش عالم به طرزی دلبخواه به صورت بخشی از شرایط مرزی مشخص شده است. در عوض پوتاف معتقد است كه منشأ انرژی نقطه صفر را می‌توان تابش حاصل از افت و خیزهای كوانتومی دانست. بنابر نظریه كوانتومی، ذرات ماده می‌توانند بناگهان پدیدار شوند و دفعتاً نیز از بین بروند، منتها به این شرط كه این كار را در فواصل زمانی بسیار كوتاهی كه اصل عدم قطعیت تعیین می‌كند انجام بدهند. این افت و خیزهای كوانتومی سرتاسر فضا را پر كرده‌اند و به همین دلیل فیزیك‌دان‌ها گهگاه از خلأ جوشان صحبت می‌كنند.
پوتاف خواص اشعه‌ای را محاسبه كرده است كه ذرات باردار منبعث از افت و خیزهای كوانتومی در سرتاسر عالم ایجاد كرده‌اند. همه ذرات باردار شتابدار، تابش الكترومغناطیسی گسیل می‌كنند. افت شدت این تابش به نسبت عكس مجذور فاصله است، ولی چون توزیع حجمی متوسط این ذرات در پوسته‌هایی كروی به مركز هر منبع نقطه‌ای مفروض متناسب است با مساحت پوسته‌ها (یعنی مربع فاصله)، حاصل جمع سهم پوسته‌های متوالی، به میدان تابشی با چگالی انرژی خیلی زیاد خواهد انجامید. پوتاف بر این نظر است كه میدان وابسته به انرژی نقطه صفر چنین میدانی است.
ممكن است كه میدان‌های نقطه صفر موجد حركت تمام ذرات عالم باشد، و در مقابل مجموع حركات ذرات عالم هم موجد میدان‌های نقطه صفر پوتاف این مكانیسم را چرخه خود انگیزنده پسخوراند كیهان شناختی می‌نامد.
او در محاسباتش كیهان شناسی تورمی را مفروض می‌شمارد. كیهان شناسی تورمی نظریه‌ای است در پیدایش عالم كه فعلاً خیلی مقبول است. پوتاف توانسته است توزیع درست فركانس‌ها و مقدار درست مرتبه بزرگی انرژی نقطه صفر را پیش بینی كند. تحقیقات او مؤید این فكر است كه میدان‌های نقطه صفر به طرزی دینامیكی تولید می‌شوند.
محاسبات جدید امتیاز ویژه‌ای هم دارد. پوتاف توانسته است رابطه‌ای میان چگالی انرژی نقطه صفر و عواملی چون مقدار متوسط چگالی ماده عالم و اندازه عالم به دست بیاورد. از این رابطه، رابطه دقیقی هم برای یك اتفاق كیهان شناختی مشهود به دست می‌آید كه اولین بار فیزیك‌دان انگلیسی پل دیراك به آن اشاره كرده است: نسبت شدت نیروی الكترومغناطیسی میان یك الكترون و یك پروتون به نیروی گرانش بین همان دو ذره تقریباً برابر است با نسبت فاصله هابل به قطر الكترون.
به نظر پوتاف این اتفاق كیهان شناختی چیزی نیست. مگر یكی از پیامدهای مكانیسم كیهان شناختی موجد انرژی نقطه صفر. این حلقه ارتباط پرمعنایی است بین پارامترهای كیهان شناختی و اتمی و ممكن است كه رازی دیر پا را حل كند.