معمای ۹۰ ساله فیزیک؛ آیا فضای خالی واقعاً خالی است؟

بیا بازی ببین

ماینکرفت | هیچی نگفت... یواشکی وین گرفت!	روبلاکس | رفتیم اسکویید گیم، دیگه رفاقتی باقی نموند...
ماینکرفت | پیکار سه نوب با دراگون... | بقا با رفقا قسمت ۹ (پارت آخر)	ماینکرفت | کی فکرشو میکرد توی بدوارز انقدر کمپ جوابه!!!

برای قرن‌ها، دانشمندان فضای خالی (خلأ) را به عنوان تهی‌مطلق تصور می‌کردند؛ جایی که هیچ ماده، ذره یا انرژی در آن وجود ندارد. اما در سال ۱۹۳۶، ورنر هایزنبرگ، برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فیزیک و شاگردش هانس اویلر، نظریه‌ای انقلابی مطرح کردند که این تصویر را به چالش کشید.

براساس نظریه هایزنبرگ، فضای خالی در سطح کوانتومی، هرگز کاملاً تهی نیست. درعوض، آنها معتقد بودند که خلأ، دریایی جوشان از «ذرات مجازی» است. این ذرات (الکترون‌ها و همتایان پادماده‌ی آنها یعنی پوزیترون‌ها) به طور ناگهانی از هیچ به وجود می‌آیند و پس از کسری از ثانیه، ناپدید می‌شوند. این پدیده که به «کف کوانتومی» معروف است، در شرایط عادی قابل مشاهده نیست.

اما نکته‌ی کلیدی این است: اگر میدان مغناطیسی فوق‌العاده قوی به این دریای ذرات مجازی اعمال شود، برهم‌کنش‌هایی رخ می‌دهد که می‌تواند نحوه‌ی حرکت نور را تغییر دهد. این اثر که دوشکستی خلأ (Vacuum Birefringence) نام دارد، باعث می‌شود فضای خالی مانند منشور عمل کند و امواج نور عبوری از آن را در یک جهت خاص دچار قطبش (هم‌راستا شدن) کند.

مشاهدات ستاره‌ی مرده و مغناطیسی، قوی‌ترین شواهد را برای اثبات این نظریه فراهم کرده که فضای خالی می‌تواند نحوه‌ی عبور نور را تغییر دهد

همان‌طور که در وب‌سایت اسپیس توضیح داده شده است، مشکل اصلی این است که برای مشاهده‌ی این اثر، به میدان‌های مغناطیسی عظیمی نیاز است که میلیون‌ها بار قوی‌تر از هر چیزی هستند که بشر می‌تواند روی زمین تولید کند. بنابراین، تنها در فضا و در اطراف اجرام خاص می‌توان چنین شرایطی را یافت.off

خوشبختانه، جهان هستی خودش این آزمایشگاه‌های عظیم را در اختیار ما قرار داده است: مگنتارها یا ستاره‌های مغناطیسی. این اجرام، بقایای چگال و بسیار مغناطیسی ستارگانی هستند که با انفجاری عظیم (ابرنواختر) به پایان رسیده‌اند.

اندازه‌ی مگنتار معمولاً به اندازه‌ی یک شهر است، اما جرم آن می‌تواند چندین برابر خورشید باشد. این چگالی باورنکردنی، میدان‌های مغناطیسی تولید می‌کند که قوی‌ترین میدان‌های شناخته‌شده در کل جهان هستند. شدت این میدان‌ها به قدری است که می‌توانند ساختار اتم‌ها را در هم بشکنند.

مشاهدات ستاره‌ای مرده با میدان مغناطیسی عظیم، قوی‌ترین شواهد را تاکنون برای اثر عجیب کوانتومی فراهم کرده است که بر اساس آن، فضای خالی نحوه‌ی عبور نور را تغییر می‌دهد.

به گفته‌ی مارکوس لوور، اخترفیزیکدان دانشگاه سوینبرن استرالیا و یکی از نویسندگان مطالعه، «تشخیص دوشکستی خلأ به میدانی بیش از ۱۰۰ میلیون بار قوی‌تر از هر چیزی که تاکنون روی زمین ساخته‌ایم نیاز دارد. خوشبختانه، طبیعت این میدان‌ها را در اختیار ما قرار داده است.»

میشلا نِگرو، اخترفیزیکدان دانشگاه ایالتی لوئیزیانا و دیگر نویسنده‌ی پژوهش، در بیانیه‌ای تأکید کرد: «ما دیگر فقط اجرام نجومی را مطالعه نمی‌کنیم؛ بلکه از آنها برای آزمایش قوانین اساسی طبیعت استفاده می‌کنیم. این بسیار هیجان‌انگیز است.»

برای نخستین بار، تیمی از محققان به رهبری ریچل استوارت، دانشجوی فیزیک در دانشگاه جرج واشنگتن، موفق به رصد این پدیده شدند. آنها از تلسکوپ فضایی IXPE (کاوشگر تصویربرداری قطبش‌سنجی پرتو ایکس) ناسا استفاده کردند که سال ۲۰۲۱ به فضا پرتاب شده است. این تلسکوپ برای اندازه‌گیری دقیق جهت و میزان قطبش پرتوهای ایکس طراحی شده است.

هدف دانشمندان، مگنتاری به نام ۱E ۱۵۴۷-۵۴۰۸ بود. این ستاره‌ی مرده، هر دو ثانیه یک بار به دور خود می‌چرخد و به دلیل انتشار منظم امواج رادیویی، هدفی ایده‌آل برای این تحقیق محسوب می‌شود.

مشاهدات در مارس و آوریل ۲۰۲۵ انجام شد و با داده‌های تکمیلی از چندین رصدخانه‌ی دیگر ترکیب شد:

    تلسکوپ پرتو ایکس مستقر در ایستگاه فضایی بین‌المللی

    تلسکوپ رادیویی مورینگ در استرالیا

    رصدخانه‌ی نجوم رادیویی آفریقای جنوبی

اما داستان این مگنتار به ۲۰ سال قبل بازمی‌گردد. فرناندو کامیلو، دانشمند ارشد رصدخانه‌ی آفریقای جنوبی و یکی از نویسندگان مقاله، از سال ۲۰۰۷ که برای اولین بار امواج رادیویی این مگنتار را شناسایی کرد، مشغول مطالعه روی آن بوده است. او می‌گوید: «هرگز تصور نمی‌کردیم که پس از ۲۰ سال، این جرم آسمانی به بررسی یکی از پیش‌بینی‌های بنیادین مکانیک کوانتومی کمک کند.»

محققان در این مطالعه به دو شواهد کلیدی دست یافتند که به گفته‌ی آنها، تنها با اثر دوشکستی خلأ قابل توضیح است:

۱. قطبش بسیار بالا: پرتوهای ایکس جذب‌شده از این مگنتار، تقریباً سه برابر بیشتر از منابع مشابه، قطبش داشتند. این میزان از قطبش آنقدر بالاست که مدل‌های استاندارد از نحوه‌ی گسیل نور توسط ستاره‌های نوترونی به تنهایی نمی‌توانند آن را توضیح دهند.

۲. هم‌راستایی کامل با میدان مغناطیسی: جالب‌تر اینکه، جهت این قطبش به طور دقیق با جهت میدان مغناطیسی ستاره هم‌خوانی داشت و با الگوی مشاهده‌شده در امواج رادیویی آن مطابقت می‌کرد. این هم‌راستایی، شواهدی بسیار قوی است که نشان می‌دهد میدان مغناطیسی عظیم ستاره، عامل اصلی این پدیده است.

این کشف، حرف هایزنبرگ را بعد از ۹۰ سال ثابت کرد: فضای خالی پر از ذرات ریز است و میدان‌های مغناطیسی قوی می‌توانند نور را منحرف کنند

مارکوس لوور، اخترفیزیکدان دانشگاه سوینبرن، در واکنش به این کشف گفت: «این نتیجه برای ما بسیار آرامش‌بخش است. چون نشان می‌دهد پیش‌بینی‌های نظریه‌هایمان درست از آب درآمده و قوانین فیزیک همانطور که می‌شناختیم، همچنان پابرجا هستند. اگر این اثر را پیدا نمی‌کردیم، مجبور بودیم بسیاری از فرضیه‌های بنیادین خود را زیر سوال ببریم.»

هرچند این کشف، موفقیتی بزرگ و گامی بلند در فیزیک به شمار می‌رود، محققان تأکید می‌کنند که برای اثبات قطعی این پدیده، به تحقیقات گسترده‌تری نیاز است.

برنامه‌های آینده آنها در دو جهت اصلی پیش می‌رود: نخست، استفاده از مأموریت‌های فضایی نسل جدید مانند پروژه‌ی پیشنهادی GoSOX که برای مطالعه‌ی دقیق‌تر قطبش پرتوهای ایکس طراحی خواهد شد. دوم، بهبود و ارتقاء شبیه‌سازی‌های کامپیوتری که به آنها امکان می‌دهد تا سیگنال ظریف دوشکستی خلأ را از میان انبوهی از سایر فرآیندهای فیزیکی و تشعشعات اطراف مگنتارها شناسایی و جداسازی کنند. این دو رویکرد مکمل، می‌توانند راه را برای تکمیل تلاشی که هایزنبرگ نزدیک به یک قرن پیش آغاز کرد، هموار سازند.

پژوهش در ژورنال Nature منتشر شده است.

منبع: عصر ایران