كانت فكرة هندريك كازيمير في تجربته بسيطة: قم بتقريب جسمين معدنيين من بعضهما البعض وانتظر. بشكل لا إرادي، عن طريق السحر، تقترب الأشياء. لا توجد قوى خارجية، ولا دفع أو سحب، ولا تأثير للجاذبية أو التوتر أو المغناطيسية. الأشياء تقترب فقط. ماهو السبب؟ مصدر لا نهائي للاهتزاز في فراغ الزمكان.
هذه التجربة التاريخية، التي صممها كازيمير لأول مرة بعد الحرب العالمية الثانية -ونفذها قبل 25 عاما- مهدت الطريق أمام العلماء لرؤية تجليات نظرية الكم بطريقة حقيقية وعملية. تقود الحقول الكمومية وأصداؤها فهمنا الحديث للفيزياء، من التفاعلات دون الذرية إلى تطور الكون بأكمله. بفضل عمل كازيمير، ما تعلمناه هو أن الطاقة اللانهائية تتخلل فراغ الفضاء. هناك العديد من الأفكار في عالم الخيال العلمي التي تقترح استخدام الطاقة الفراغية لتشغيل مركبة فضائية أو غيرها من أنظمة الدفع المتقدمة مثل محرك الالتواء. وفي حين أن هذه الأفكار لا تزال مجرد أحلام، فإن الحقيقة هي أن تجربة بسيطة تم تطويرها في عام 1948 أشعلت النار في مخيلتنا وفهمنا للكون.
كازيمير، عالم فيزياء هولندي قضى سنوات دراسته الجامعية تحت وصاية نيلز بور، أحد آباء فيزياء الكم، وقع في حب هذه النظرية الجديدة وغير العادية للكون. ولكن بمجرد ظهور نظرية الكم، بدأت في تقديم ادعاءات غريبة جدًا حول الكون. إن العالم الكمي غريب، وغرابته المطلقة عادة ما تكون غير مرئية بالنسبة لنا، وتعمل على مقاييس أقل بكثير من إدراكنا أو ملاحظتنا البشرية العادية. بدأ كازيمير يتساءل كيف يمكننا اختبار هذه الأفكار.
لقد اكتشف طريقة بارعة لقياس تأثيرات الحقول الكمومية اللانهائية والموجودة دائمًا باستخدام قطع معدنية على مسافة قريبة. يُظهر عملهم أن السلوك الكمي يمكن أن يعبر عن نفسه بطرق مدهشة يمكننا قياسها. كما أظهر أن غرابة السلوك الكمي حقيقية ولا يمكن تجاهلها، وعليك أن تصدق ما تقوله ميكانيكا الكم عن طريقة عمل الكون مهما كانت غريبة.
الحقول الكمومية هي عالم آخر، لكنها حقيقية جدًا
أحد الدروس المستفادة من عالم الكم هو أن الجسيمات مثل الإلكترونات والفوتونات والنيوترينوات ليست كما تبدو. في الواقع، كل جسيم نراه في الطبيعة هو جزء من شيء أكبر بكثير. تسمى هذه الكيانات الكبيرة بالحقول الكمومية، وتتخلل الحقول الكون بأكمله عبر المكان والزمان مثل الزيت والخل الذي ينقع قطعة خبز.
كل نوع من الجسيمات لديه مجال كمي: مجال واحد للإلكترونات، وآخر للفوتونات، وهكذا. هذه المجالات غير مرئية بالنسبة لنا، لكنها ركائز أساسية للوجود. أنها تهتز وتطنين باستمرار. وعندما تهتز الحقول بكمية كافية من الطاقة، تظهر الجسيمات. عندما يتم إيقاف تشغيل الحقول، تختفي الجزيئات. هناك طريقة أخرى للنظر إلى الأمر وهي أن ما نسميه “الجسيم” هو في الواقع اهتزاز موضعي للمجال الكمي. عندما يتفاعل جسيمان، فإنهما في الواقع عبارة عن قطعتين من الحقول الكمومية تتفاعل مع بعضها البعض.
تهتز هذه الحقول الكمومية دائمًا، حتى لو لم تكن تلك الاهتزازات قوية بما يكفي لتكوين جسيم. إذا أخذت صندوقًا وأفرغته من جميع محتوياته – كل الإلكترونات، كل الفوتونات، كل النيوترينوات، كل شيء – الصندوق لا يزال مليئًا بهذه المجالات الكمومية. ولأن هذه المجالات تهتز حتى في عزلة، فإن الصندوق مملوء بطاقة فراغية غير مرئية، والمعروفة أيضًا باسم طاقة نقطة الصفر: طاقة تلك الاهتزازات الأساسية.
في الواقع، يمكنك إحصاء عدد الرنينات الموجودة في كل مجال من هذه المجالات الكمومية… والإجابة هي اللانهاية! هناك صغيرة، ومتوسطة، وكبيرة، وهائلة، وتستمر جميعها في التراكم معًا، كما لو كان الزمكان يغلي عند المستوى دون الذري. وهذا يعني أن فراغ الكون يتكون في الواقع من شيء ما. لا يوجد فراغ حقيقي. أينما ذهبت، هناك دائمًا مجالات كمومية نابضة بالحياة.
تجربة بسيطة مع اللانهاية المتعددة
وهنا يأتي دور تجربة كازيمير: إذا أخذنا لوحين معدنيين ولصقناهما قريبين جدًا من بعضهما البعض، فإن الحقول الكمومية بين الصفيحتين يجب أن تتصرف بطريقة معينة: يجب أن تتطابق الأطوال الموجية لاهتزازاتها تمامًا بين الصفيحتين. يجب أن تضبط اهتزازات وتر الجيتار أطوالها الموجية مع طول الوتر. في الحالة الكمومية، لا يزال هناك عدد لا نهائي من الاهتزازات بين اللوحات، ولكن – وهذا هو المهم – ليس عددًا لا نهائيًا من الاهتزازات بين اللوحات.
ماذا يعني هذا؟ في الرياضيات، ليست كل اللانهائيات متشابهة، وقد قمنا بتطوير أدوات ذكية لمقارنتها. على سبيل المثال، فكر في النوع اللانهائي حيث تتم إضافة أرقام متتالية إلى بعضها البعض. تبدأ بـ 1، ثم تضيف 2، ثم تضيف 3، ثم تضيف 4، وهكذا. إذا قمت بإضافة أرقام إلى أجل غير مسمى، سوف تصل إلى ما لا نهاية. الآن دعونا نفكر في نوع آخر من الجمع، في هذه الحالة قوى العدد 10. تبدأ بالرقم 101، ثم تضيف 102، و103، و104، وهكذا.
تجربة كازيمير تجعل جسمين معدنيين قريبين جدًا من بعضهما البعض. تقترب الأجسام من بعضها البعض بسبب اهتزاز المجال الكمي وليس أي قوة أخرى.
ومرة أخرى، إذا واصلت هذه السلسلة إلى الأبد، فسوف تصل أنت أيضًا إلى ما لا نهاية. ولكن بمعنى ما، سوف “تصل إلى هناك” قريبًا إلى ما لا نهاية. ومن ثم، فمن خلال طرح هاتين المتسلسلتين بعناية، يمكننا الحصول على مقدار الفرق بينهما حتى لو وصلت كل منهما إلى ما لا نهاية.
بفضل هذه الخدعة الرياضية الذكية، يمكننا تحقيق نوعين من اللانهاية – تلك الموجودة بين الصفائح المعدنية وتلك الموجودة بالخارج – وعدد منتهٍ. وهذا يعني أن هناك في الواقع اهتزازات كمومية داخل الصفيحتين أكثر من الخارج. تؤدي هذه الظاهرة إلى استنتاج مفاده أن الحقول الكمومية الموجودة خارج الصفائح تدفع الصفائح معًا، وهي ظاهرة تسمى تأثير كازيمير تكريمًا لهندريك.
التأثير صغير بشكل لا يصدق، حوالي 10 إلى 12 نيوتن، ويجب أن يكون عرض الصفائح المعدنية أقل من ميكرومتر واحد. (نيوتن واحد هو القوة التي تؤدي إلى تسريع جسم كتلته 1 كيلوجرام بمقدار متر مربع في الثانية). لذلك، على الرغم من أن كازيمير كان قادرًا على التنبؤ بوجود هذا التأثير الكمي، إلا أنه لم يتم قياسه حتى عام 1997، وذلك بفضل جهود عالم الفيزياء في جامعة ييل ستيف لامورو.
فيزياء الكم في العمل
ولعل الأمر الأكثر غرابة هو أن المخلوق الذي له أعمق اتصال بالطبيعة الكمومية الأساسية للكون هو أبو بريص. يستطيع أبو بريص المشي على الجدران وحتى الأسقف. للقيام بذلك، يتم تغطية نهاياتها بعدد لا يحصى من الألياف الدقيقة التي تشبه الشعر. تقترب هذه الألياف بدرجة كافية من جزيئات السطح التي تريد تسلقها حتى يعمل تأثير كازيمير. يتم إنشاء قوة جاذبة بين الشعر والسطح. توفر كل شعرة قوة قليلة جدًا، ولكنها معًا كافية لدعم أبو بريص.
في هذا الإعداد التجريبي المثبت في المطبخ، لا تجتمع الأطعمة معًا بطريقة سحرية. وبدلا من ذلك، فإن الحقول الكمومية التي تهتز بشكل لا نهائي تدفعها من خارج الزمكان.
نحن عادة لا نرى أو نشعر أو نختبر تأثير كازيمير. ولكن عندما نريد تصميم الآلات الدقيقة والمتناهية الصغروعلينا أن نأخذ هذه القوى الإضافية في الاعتبار. على سبيل المثال، صمم الباحثون أجهزة استشعار مجهرية يمكنها مراقبة تدفق الجزيء الكيميائي عبر الجزيء، لكن تأثير كازيمير يمكن أن يعطل وظيفة المستشعر إذا لم نكن على علم بذلك.
يستكشف العلماء إمكانات الطاقة الفراغية
لسنوات عديدة، ظل الباحثون يستكشفون إمكانية استخلاص الطاقة من الفراغ واستخدامها كمصدر للطاقة. وقد حصل على براءة اختراع في عام 2002 جهاز يقوم بشحن البطارية عن طريق التقاط الشحنات الكهربائية من لوحين معدنيين في تجربة كازيمير. يمكن استخدام الجهاز كمولد. وفقًا لبراءة الاختراع، “يتم تركيب ألواح معدنية متعددة حول محور وتدور مثل البوصلة الجيروسكوبية لتوليد قوة مستمرة”.
وزارة الدفاع الأمريكية وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA). حصل الباحثون على 10 ملايين دولار في عام 2009 لتعميق المعرفة بقوة كازيمير. على الرغم من أن التقدم في الاستخدام الفعلي للطاقة الفراغية كان تدريجيًا، إلا أن الباحثين قالوا في ذلك الوقت إن هذا النوع من أبحاث الطاقة يمكن أن يؤدي إلى ابتكارات في تكنولوجيا النانو، مثل إنشاء جهاز قادر على التحليق.
مجموعة بحثية في جامعة كولورادو في بولدر نموذج غاريت لقد طورت أجهزة تنتج طاقة “يبدو أنها نتيجة لتقلبات الطاقة الكمومية عند نقطة الصفر”. بحسب موقع المجموعة. يعيد جهازهم بشكل أساسي تجربة كازيمير، حيث يولد تيارًا كهربائيًا بين طبقتين معدنيتين تمكن الباحثون من قياسهما، حتى بدون تطبيق جهد كهربائي.
أما كازيمير، المنغمس في الثورة الكمومية الناشئة في جامعة ليدن، فكان يميل إلى التقليل من شأن عمله. وفي سيرته الذاتية، واقع محيرقال كازيمير: “قصة حياتي ليست مثيرة للاهتمام بشكل خاص”. وتنتهي ورقته البحثية الضخمة عام 1948 ببيان بسيط يؤطر تجربته: “على الرغم من أن التأثير صغير، إلا أن التأكيد التجريبي لا يبدو مستحيلاً وقد يكون ذا بعض الاهتمام”.
في الواقع، لم تثير فكرته الأولية ضجة كبيرة في المجتمع العلمي، ولم تكن هناك أي روايات متوهجة عن تجربته في الصحافة الشعبية. كان هذا جزئيًا بسبب تواضع كازيمير، وجزئيًا لأنه تخلى عن البحث الأكاديمي ليكرس نفسه للصناعة. ولكن على الرغم من هذه البدايات المتواضعة، لا يمكن الاستهانة بعمله.
في الوقت الحاضر، نحن نتقن باستمرار تبحث مجموعة كازيمير التجريبية الأصلية عن الشقوق في نظرياتنا، ونحن نستخدمها كأساس للبحث بشكل أعمق في الطبيعة الأساسية للكون.
بول م. سوتر مدرس العلوم وعالم الكون النظري معهد العلوم الحسابية المتقدمة في جامعة ستوني بروك وكيف تموت في الفضاء: رحلة عبر الظواهر الفيزيائية الفلكية الخطيرة و مكانك في الكون: فهم وجودنا الكبير والفوضوي. يعد سوتر أيضًا مضيفًا للعديد من العروض العلمية وينشط على وسائل التواصل الاجتماعي. انظر اليه اسأل رائد فضاء إنترنت كذالك هو صفحة يوتيوب.
