موجودی زاییده از عدم وجود: خلأ

آیا خلأ مطلق وجود دارد یا این که مفهومی زاییده‌ی اندیشه‌ی دانشمندان است؟ خلأ یا فضای تهی همه‌جا حضور دارد. در لابه‌لای هر ماده‌ای حضور دارد. از انسان گرفته تا آسمان‌خراش‌های بلند، همه چیز دارای خلأ است، زیرا خلأ در ساختمان اتم به کار رفته است. میان دو هسته از دو اتم مجاورِ هم در اجسام جامد، می‌توان صد هزار هسته‌ی اتمی دیگر را جای داد. پس اگر فضا را از درون اجسام بخواهیم بیرون کنیم باید ماده را فشرده کنیم. در این صورت، کره‌ی زمین صد هزار بار از اندازه‌ی کنونی‌اش کوچک‌تر می‌شود (در حالی که جرم آن ثابت باقی می‌ماند). کره‌ی زمین پس از بیرون کردن خلأ میان اتم‌ها به صورت گویی در می‌آید که قطر آن تنها صد و بیست متر است. همه‌ی شهر تهران در کاسه‌ای جای می‌گیرد، و یک لشکر کامل همراه با جنگ‌افزارها و سازوبرگ‌های آن در نوک سوزنی جولان خواهد داد. این آمارها و حساب‌ها، بازی‌های ذهنی و خیال‌پردازی نیستند، زیرا ماده‌ی بسیار چگال و متراکم، یعنی ماده‌ی بدون خلأ، به راستی نیز وجود دارد. نام این نوع مواد را نوترونیم نهاده‌اند و تنها ماده‌ی سازنده‌ی ستاره‌های نوترونی است. این ستاره‌ها که بیش از یک میلیون کیلومتر طول داشتند پس از به پایان رسیدن سوختشان در خود فرو ریخته‌اند. مانند بادکنکی که بادش را خالی کنند، جرم این خورشیدهای کهنه، به صورت گویی به قطر ده کیلومتر فشرده شده است. در درون آن دیگر خلأ چندانی وجود ندارد. این معجون‌های نوترونی که در آن ذرات زانو به زانو کنار هم نشسته‌اند دارای چگالی شگفت‌انگیزی هستند. بر روی زمین، تنها یک سانتیمتر مکعب از این ماده‌ی بدون خلأ، یک میلیارد تُن جرم خواهد داشت.

فیزیک‌دان‌ها در تعریف تهی و خلأ می‌گویند: به جا مانده از چیزی که همه چیز فیزیکی آن را برداشته باشند. این تعریف جدیدی از خلأ و تهی است. سال‌ها اندیشمندانی وجود داشتند که وجود خلأ را انکار می‌کردند. از نظر آن‌ها، که در رأس‌شان ارسطو بود، عالم پر از ماده‌ای پیوسته و فشرده بود. آزمایش معروفی که سی‌صد و هفتاد سال پیش (1644 میلادی)، در فلورانس ایتالیا صورت گرفت آشوبی در جامعه‌ی علمی برپا کرد و باورها را دگرگون نمود. اوانجلیستا توریچلی، از شاگردان پیشین گالیله به این فکر افتاد تا لوله‌ای را که ته آن بسته است پر از جیوه کند و سپس سپس آن را در تشتی پر از جیوه برگرداند. با انجام این کار، جیوه در لوله پایین آمد تا این که سطح آزاد آن به هفتاد و شش سانتیمتر بالای سطح جیوه در تشت رسید. به این ترتیب، توریچلی با اثبات وجود فشار هوا، فشارسنج جیوه‌ای را اختراع کرد. در بخش بالای لوله، فضایی بدون جیوه تشکیل شده بود که حاکی از خلأ و هر ماده‌ی دیدنی دیگری بود. توریچلی به همان ترتیب، فقدان گاز در آن بخش را به اثبات می‌رساند.
تعبیر نتایج آزمایش، بحث‌های داغی را میان طرف‌داران توریچلی و طرف‌داران نظر ارسطو برانگیخت. اما طولی نکشید که یک رشته از آزمایش‌های منتسب به پاسکال، فرضیه‌های دانشمند فلورانسی را به تأیید رسانیدند. طی سده‌های پس از آن، بسیاری از فیزیک‌دان‌ها به آزمایش‌های مربوط به خلأ علاقه‌مند شدند. از آن میان، مشهورترین آزمایش، مربوط به «نیم‌کُره‌های مگدنبورگ» از کارهای اتوفن گریک (1686 میلادی) است. فن گریک، که هم‌زمان با گالیله به دنیا آمده بود، از طرف‌داران پروپاقرص روش‌های تجربی بود، و ثابت کرد که امکان ایجاد خلأ در یک وسیله وجود دارد. وی خلأ را در داخل گویی متشکل از دو نیم کُره‌ی مسی ایجاد کرد. فشار هوایی که بر روی دیواره‌های بیرونی گوی به اندازه‌ی یک کیلوگرم نیرو بر هر سانتیمتر مربع وارد می‌شد، جدا کردن دو نیم‌کُره را، حتی به کمک هشت اسب درشکه از هر سو، امکان ناپذیر می‌کرد. در درون گوی خالی فشاری نبود که تعادل ایجاد کند. از آن زمان این محاسبه امکان‌پذیر شد: برای گویی به قطر هشتاد سانتیمتر، کل نیروی وارده از خارج چند کیلوگرم نیرو است؟ به این ترتیب، نخستین آزمایش در باره‌ی خلأ تحقق یافته بود.
طولی نکشید که نبوغ انسانی از کاربردهای خلأ، چه در صنعت و چه در علم، برای ساختن ماشین‌هایی با کارایی بالا و سودمندی فراوان به کار افتاد: تلمبه‌های ساده‌ی مکشی و بعد تلمبه‌های چرخ پره‌ای، مکنده‌های چرخ پره‌ای مولکولی (توربین‌های بسیار سریع) و غیره... برای ایجاد خلأ، اسفنج‌های جالبی هم وجود دارند که زئولیت نامیده می‌شوند. این کانی‌های شگفت (طبیعی یا صنعتی)، بر مبنای کلسیم، آلومینیم، سیلیس، و آب، دارای خاصیت منحصر به فرد جذب همه‌ی گازها هستند. این جذب کننده‌ها با ظاهری شبیه به سنگ‌پا، و با شیوه‌ای که هنوز چگونگی آن روشن نشده است، گازها را جذب می‌کنند. این مواد در دستگاه‌های فراخلأ کاربرد دارند. از این نوع خلأ برای ساخت بلورهایی استفاده می‌کنند که در الکترونیک به کار می‌روند (مثلاً در ساخت ترانزیستو و مدارهای یک‌پارچه و...). هم‌چنین در بررسی جذب گازها به وسیله‌ی فلزات نیز نیاز به این نوع خلأ بسیار شدید است. فراخلأ، محفظه‌های بسته‌ای هستند که در آن‌ها زئولیت‌ها خلأ اولیه را ایجاد می‌کنند. سپس تخلیه‌ی الکتریکی، همه‌ی مولکول‌های گازی را که امکان ماندن آن‌ها وجود داشته باشد یونیده می‌کند. این مولکول‌های یونیده، که حامل بارهای خالص الکتریکی هستند، به آسانی به سمت دیواره کشیده شده و به دام می‌افتند. در این خلأ که در صنعت، حد نهایی خلأسازی مصنوعی به شمار می‌رود، هنوز در هر سانتیمتر مکعب دویست و شصت هزار مولکول وجود دارد. فیزیک‌دان‌ها به حق می‌اندیشند که این خلأ هنوز بسیار پرجمعیت است، اما در حال حاضر کاراترین ابزاری است که برای خلأسازی در اختیار دانشمندان است که خلأ مرجع یا معیار به شمار می‌رود.
حق با ارسطو بود: ماده همه جا حضور دارد. فضای موجود بین ستاره‌ها، یعنی خلأ فیزیکی میان کرات آسمانی، چنان‌چه گمان می‌رفت خلأ کامل فیزیکی نیست. در آن‌جا هم اتم‌هایی حضور دارند. مثلاً در فضایی که زمین را از ماه جدا می‌سازد، تعداد اتم‌ها در حدود دو هزار در سانتیمتر مکعب است. این رقم تا یک اتم در ده سانتیمتر مکعب در مناطق دیگر مانند فضای میان کهکشان‌هاست. آیا خلأی با دو هزار اتم در هر سانتیمتر مکعب خنده‌دار نیست؟ نه چندان. به هر حال مفهوم خلأ فیزیکی را باید همواره با نسبت سنجید. یادآور می‌شویم که بر روی زمین، یک سانتیمتر مکعب هوا، محتوی حدود بیست و هفت میلیارد اتم یا مولکول است. در این صورت حق با ارسطو بود که می‌اندیشید که در هیچ یک از نواحی فضا خلأ کامل وجود ندارد. به نظر می‌رسد آزمایش‌ها بار دیگر ارزشی برای اندیشه‌های این فیلسوف دوره‌ی باستان قائل می‌شوند. بدین‌سان هنگامی که سنبه را درون استوانه می‌کشیم مانند مورد مربوط به تلمبه‌ی دوچرخه، فضایی که در ته آن پدید می‌آید خلأ فیزیکی است. چنان‌چه سنبه را رها کنیم به جای خود باز می‌گردد. این به واسطه‌ی نیروی رانش فشار هواست. با این حال، چنان‌چه سنبه را مدتی به همان حال نگه داریم و بعد رها کنیم به حالت نخستین خود باز نمی‌گردد. بنابراین خلأ دیگر آن خلأ نیست، و در ته استوانه، مثلاً تلمبه‌ی دوچرخه، چیزی وجود دارد که با سنبه مقابله می‌کند. این مقاومت به علت تابش گرمای گسیلی دیواره‌هاست. پس خلأ، حتی بدون ماده، دیگر خلأ نیست. و خلأ فیزیکی هم همان خلأ فکری نیست! آیا خلأ، شایستگی نامش را دارد؟ (البته باید دقت کرد که خلأ فیزیکی با خلأ فلسفی تفاوت دارد. ضمناً در فضای میان ستاره‌ها تنها اتم‌هایی ناچیز وجود ندارند، بلکه پرتوها و امواج الکترومغناطیس هم هستند و علاوه بر آن ممکن است چیزهای دیگری هم باشند که چیز فیزیکی و مادی نیستند بلکه موجودات غیرمادی هستند. ولی وقتی بحث از خلأ می‌کنیم مقصودمان خلأ فیزیکی است.)
صنعت نمی‌تواند از محاسن شگفت‌انگیز خلأ چشم‌پوشی کند. در خلأ اصطکاک وجود ندارد. لوله‌ی کاتد یک عنصر اصلی دستگاه‌های تلویزیونی کاتدی است. این لوله متشکل از یک تفنگ الکترونی است که پرتوی از الکترون‌ها را بر سطحی حساس پرتاب می‌کند.

اما اگر خلأ مناسبی که در داخل لوله است نبود، پرتو الکترونی، حتی یک سانتیمتر از فضایی را که تفنگ را از صفحه‌ی تلویزیون جدا می‌سازد نمی‌توانست بپیماید. در جو ما، الکترون‌ها بی‌درنگ در مولکول‌های هوا به دام می‌افتند. در اتومبیل، کشتی، یا هواپیما نیز همین مسأله حاکم است: چیره شدن بر شاره یا سیالی که با پیش‌روی آن‌ها مقابله می‌کند. و بعد، محاسبات مربوط به حرکت با وجود مقاومت آب یا حرکت با وجود مقاومت هوا. مثلاً در مورد اتومبیل، ضریب مقاومت در برابر هوا، که عاملی مهم در مصرف سوخت اتوموبیل‌هاست، بیش‌تر بررسی شده است. اما در خلأ مشکلی برای پیش‌روی وجود ندارد زیرا اصطکاک و مالش، صفر است. درنتیجه، شکل وسیله‌ی نقلیه هم اهمیتی ندارد. در فضا، بال‌های فضایی، که صفحات انرژی‌گیر خورشیدی آن‌ها مانند بادبان‌های کشتی‌های ایام گذشته باز می‌شوند، میلیون‌ها کیلومتر را به سادگی با نیروی رانش اولیه می‌پیمایند.
آیا ماده از نیستی پدید آمده است؟ در قرن نوزدهم میلادی، از نظر ماکسول، فیزیک‌دان انگلیسی، و هم‌کارانش، خلأ پر از اتر بود. فرض بر این بود که این شاره‌ی فرضی کشسان، وظیفه‌ی حمل و انتشار نور در خلأ را به عهده دارد. اما طولی نکشید که دانشمندان ثابت کردند که این مفهوم با واقعیت تجربی و آزمایش‌ها سازگاری ندارد و نور برای انتشار و فرارویِ خود نیاز به هیچ محیطی ندارد. اما در کمال تأسف، فیزیک نوین به خلأِ فارغ از اسرار رضایت نمی‌دهد و هم‌چنان اصرار دارد که آن را با مفهومات به شدت پیچیده انباشته کند. در این جا، در مرزهای کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات، فرضیه‌های حاکم نسبیت عام و الکترودینامیک کوانتمی با یک‌دیگر برخورد می‌کنند. در سال 1948 میلادی، هندریک کازیمیر، فیزیک‌دان هلندی، در خلأ، منبعی ناشناخته از تابش الکترومغناطیسی از همان نوع نور را ردیابی کرد. کازیمیر از پیش، ابزارهای آزمایشگاهی‌اش را در دمایی نزدیک به صفر مطلق (منفی 15ر273 درجه‌ی سانتیگراد) سرد کرده بود. پس این بار موضوع پرتوِ گرمایی در میان نبود، و در جایی که همه‌جا باید خلأ می‌بود، چیزی وجود داشت. اما این خود خلأ بود که مسئول پدید آمدن این تابش‌ها شده بود. این پدیده را به نام «تابش الکترومغناطیسی کلاسیک نقطه‌ی صفر» یا پدیده‌ی کازیمیر می‌نامند. چند سال یعد، پُل دیراک، فیزیک‌دان انگلیسی، و سرشناس در مکانیک کوانتمی، از خلأ به مانند اقیانوسی سیراب از ذرات مجازی سخن می‌گفت (چون نیمه عمر این ذرات مجازی کوتاه است نمی‌توان آن‌ها را مستقیماً مشاهده کرد). در خلأ مطلق، ذرات به خودی خود پدیدار می‌شوند، بر یک‌دیگر اثر می‌کنند، انرژی تولید می‌کنند، و از بین می‌روند، و در این ره‌گذر، از قوانین پایستاری انرژی سرپیچی می‌کنند. انرژی به صورت مؤلفه یا جزء ترکیب دهنده‌ای در می‌آید که اینشتاین آن را «ثابت کیهان شناختی» می‌نامد. این فرضیه که به شدت پیچیده است، چنین ایجاب می‌کند که اگر چگالی انرژی خلأ همین که هست نبود، هندسه‌ی دنیای ما یکسره به هم می‌ریخت. یکی دیگر از جزء ترکیب دهنده‌های انرژی خلأ «بُزون هیگز» است (برگرفته از نام پیتر هیگز، فیزیک‌دان دانشگاه ادینبورگ). این ذره‌ی فرضی که هرگز مشاهده نشده است به جوهر وجودی یا ماهیتی می‌پیوندد که آن را میدان هیگز – میدانی فرضی – می‌نامند و همان مسئول جرم تمامی ذرات موجود است! در این خلأ هر آن‌چه را که بخواهیم می‌یابیم: تابش، ذره، و انرژی. اما «نیستی» یا «هیچ» در آن غایب است. خلأ، فراخلأ، و خلأ کلاسیک یا کوانتمی به هر حال امری مسلم است. خلأ با اندیشه‌ای که از آن داریم سازگار نیست، ولی فیزیک‌دان‌ها برای تبیین همه‌ی «دارایی» خلأ از فرهنگی غنی برخوردار نیستند.
در قرن هفدهم میلادی، بویل فیزیک‌دان ایرلندی ثابت کرد که نور در خلأ فیزیکی منتشر می‌شود در حالی که صوت، مانند هر ارتعاش مکانیکی، نیاز به حامل مادی دارد. جهان راستین خاموشی و سکوت، خلأ است. و به دنبال آن این شعار معروف بود که: «فریاد در فضا، آب در هاون کوبیدن است.» از محاسن و امتیازهای عایق سازی خلأ، برای حفظ گرما و سرما نیز استفاده می‌شود. در ظرفی دو دیواره که میان دو دیواره‌ی آن‌ها خلأ باشد، دما پایدار می‌ماند و افزایش یا کاهش دما از راه تماس خارجی امکان‌ناپذیر است. از این خاصیت برای ساختن ترموس استفاده می‌کنند (ظروف عایق برای سرد یا گرم نگاه داشتن آب یا چای و غذا).
در خلأ، در قوانین فیزیکی-شیمیایی تغییرات جالبی روی می‌دهد. مثلاً مایعات در دمایی بسیار پایین‌تر از نقطه جوش در شرایط متعارفی می‌جوشند و تبخیر می‌شوند. این پدیده را به طور طبیعی در ارتفاع چهار هزار متری در روی قلل کوه‌ها می‌توان آزمود. در چنین ارتفاعی که جو رقیق‌تر است آب در شصت درجه‌ی سانتیگراد به جوش می‌آید. شیمی‌دان‌ها از این خاصیت برای تبخیر مواد حساس به گرما (مواد دارویی یا آرایشی) در خلأ نسبی استفاده می‌کنند و بدون آن که نیاز به گرم کردن زیادِ آن‌ها باشد نتیجه‌ی مطلوب به دست می‌آید. هم‌چنین عکاسان و اخترشناسان همراه با شیمی‌دان‌ها از خاصیت خلأ بهره‌های زیادی می‌برند. پردازش‌های ضدبازتاب روی شیشه‌های عدسی‌های عکاسی و پوشش بازتابنده‌ی آینه‌های تلسکوپ‌ها، با اندود فلزی در شرایط خلأ انجام می‌گیرد.
این جمله‌ی معروف را به ارسطو نسبت می‌دهند که گفته است: «طبیعت از خلأ امتناع دارد.» البته تعبیری که امروز از این جمله می‌شود مسلماً با نظر این اندیشمند دوره‌ی باستان، که وجود خلأ را انکار می‌کرد، تفاوت زیادی دارد. طبیعت به این جهت از خلأ امتناع دارد که تنها هوا یا هر شاره‌ی دیگری را در هر روزنه و سوراخ و درز و شکافی فرو می‌برد. خلأ خاصیت مکندگی را به وجود می‌آورد که هر روز از آن استفاده می‌کنیم. تلمبه ها، مکنده‌های برقی، و سرنگ‌های مورد استفاده برای گرفتن خون، همگی بر پایه‌ی همان اصل کار می‌کنند.