کشف نیروی جدیدی شبیه اصطکاک

یکی از اساسی ترین اصول فیزیک مدرن آن است که در خلاء کامل، یعنی جایی که کاملا عاری از ماده است، احتمالا هیچ اصطکاکی هم وجود ندارد. زیرا فضای خالی نمی تواند به شیئی که از میان آن عبور می کند، نیرو وارد نماید.

گویا آی تی – اما با وجود این باور رایج، فیزیکدانان انگیسی به این موضوع پی برده اند که اتمی که از میان یک خلاء کامل عبور کند، یک نیروی اصطکاک مانند را از طرف فضای اطراف خود حس می کند. آنها اکنون می دانند که این نیرو، موید نظریه نسبیت عام اینشتین است و اصلا آن را رد نمی کند.
یکی از اعضای این تیم تحقیقاتی، یعنی ماتیاس سانلیتنر (Matthias Sonnleitner) از دانشگاه گلاسکو، در مصاحبه با وبسایت phys.org به لیزا زیگا (Lisa Zyga) گفت “ما سال ها به دنبال یک اشتباه در محاسباتمان بودیم و حتی زمان بیشتری به جستجوی سایر اثرات قوی موجود در خلاء پرداختیم، تا اینکه این جواب (نسبتا ساده) را پیدا کردیم”.
وقتی سانلیتنر و همکارانش چیزهای عجیبی در مطالعات خود مشاهده کردند، محاسباتی انجام دادند تا رفتار یک اتم رو به زوال که از محیطی با خلاء کامل عبور می کند را پیش بینی نمایند.
چندین سال بود که فیزیکدانان تصور می کردند خلاء کامل هیچ نیرویی به اتم وارد نمی کند، اما باز هم با آن برهمکنش دارد.

فیزیکدانان نمی توانند یک خلاء کامل واقعی ایجاد کنند، زیرا هر چقدر یک محیط را خالی از ماده کنیم، باز هم نمی توان تضمین کرد هیچ اتم سرگردانی وارد آن نشده است. اما محاسبات پیش بینی کرده اند که یک خلاء کامل از لحاظ نظری، با یک انرژی عجیب همراه است، و با جفت های ذره – پادذره “مجازی” پر شده که میان وجود و عدم وجود جهش می کنند.
این توصیف “خالی اما پر” برای شرایط خلاء کامل، ریشه در یکی از جنبه های مکانیک کوانتومی به نام اصل عدم قطعیت هایزنبرگ دارد. این اصل بیان می کند از لحاظ نظری، در خلاء، تعداد بی شماری ذره مجازی می توانند به صورت رندوم پیدا و پنهان شوند.

این تغییرات کوانتومی، باعث تولید میدان های الکتریکی می شوند که به صورت رندوم نوسان می کنند. محاسبات تیم تحقیقاتی دانشگاه گلاسکو، توضیح می دهد که این میدان ها چگونه می توانند با یک اتم که از میان خلاء عبور می کند، برهمکنش داشته باشند. این برهمکنش باعث می شود اتم مذکور انرژی جذب کند و وارد حالت برانگیخته شود.
زمانی که اتم برانگیخته به حالتی با انرژی کمتر برمی گردد، یک فوتون (یا ذره نور) در جهت رندوم گسیل می کند.
این تیم تحقیقاتی در حال انجام محاسبات خود و بررسی اتفاقاتی بود که هنگام گسیل یک فوتون از اتمی که در خلاف جهت فوتون حرکت می کند، رخ می دهد. در همین حین، یک نیروی اصطکاک مانند پیدا کردند که ظاهرا موجب از دست رفتن سرعت اتم می شد.
اگر این یافته ها درست باشند، اصل نسبیت نقض می شود. زیرا این یافته حاکی از آن است که “مشاهده گران، اتم را در حالی مشاهده می کنند که در سرعت های مختلف حرکت می کند. این سرعت بسته به جایی که مشاهده گر نسبت به اتم قرار دارد، تغییر می کند”.
سانلیتنر در مصاحبه با Physics World به تیم ووگان (Tim Wogan) گفت اعضای این تیم تحقیقاتی پیش از پیدا کردن پاسخ، “چندین هفته سلامت یافته های خود را زیر سوال بردند” و در نهایت همه به E=mc^2 رسیدند.

وقتی اتم در حال حرکت به حالتی با انرژی کمتر میرسد و یک فوتون در جهت رندوم گسیل می کند، این باعث می شود مقدار بسیار کمی انرژی از دست بدهد. این انرژی، متناظر با مقدار بسیار کمی جرم است.
این مقدار بسیار کم جرم را “نقص جرم” می نامند و همان طور که لیزا زیگا در گزارش خود برای وبسایت Phys.org بیان کرده، “این مقدار بسیار کم و کوچک است و قبلا هرگز اندازه گیری نشده است”.
به گفته زیگا “این جرم، همان جرم موجود در معادله مشهور اینشتین، یعنی E=mc^2 است که مقدار انرژی مورد نیاز برای شکستن هسته یک اتم و تجزیه آن به پروتون ها و نوترون هایش را توصیف می کند”.
“این انرژی که انرژی پیوند داخلی نام دارد، مکررا در فیزیک هسته ای مورد استفاده قرار می گیرد. فیزیک هسته ای با انرژی های پیوند بسیار بزرگتری سر و کار دارد. اما این انرژی پیوند داخلی در اپتیک اتمی (زمینه مورد مطالعه ما در این مقاله) قابل چشم پوشی است. زیرا انرژی های بسیار کوچکتری در آن مد نظر قرار می گیرد”.
وقتی محققان مقدار این نقص جرم را وارد محاسبات خود کردند، یعنی از E=mc^2 استفاده کردند، دریافتند که با از دست رفتن مقدار بسیار کمی انرژی در اتم، در واقع این اتم اندازه حرکت خود را از دست می دهد، نه سرعت.

اگر به رابطه میان اصطکاک، سرعت و اندازه حرکت نگاه کنیم (به جای نگاه به اصطکاک ناشی از تغییر در اندازه حرکت، که خود آن نیز از کاهش سرعت ناشی می شود)، می بینیم که دانشمندان در واقع کاهش اندازه حرکت ناشی از تغییر بسیار کم در جرم اتم را شناسایی کرده اند. سرعت اتم ثابت می ماند، باید هم بماند.
بنابراین، وجود اصطکاک در خلا، نقض کننده ی قانون نسبیت نیست، بلکه این پدیده همان چیزی است که اصول نسبیت پیش بینی می کنند؛ یعنی کاهش جرم باعث می شود اتم مقدار بسیار کمی اندازه حرکت از دست بدهد. این همان چیزی است که اصل پایستگی انرژی و اندازه حرکت در نسبیت خاص پیش بینی می کنند.
این تیم تحقیقاتی نتیجه گرفت “ما در تحقیقات خود نشان داده ایم که، بله، یک اتم رو به زوال با نیرویی مواجه می شود که شبیه اصطکاک است. اما این نیرو، به دلیل تغییر در اندازه حرکت به وجود می آید. خود تغییر در اندازه حرکت، ناشی از تغییر در انرژی جرم داخلی بوده و با حرکتی که افت شتاب در آن رخ می دهد ارتباطی ندارد”.
از نظر آنها، گام بعدی آن است که ببینیم در زمان وقوع این رخداد، در چه شرایطی اتم به جای آنکه یک فوتون گسیل کند، یک فوتون جذب می کند.
شاید بتوان از پاسخ این سوال برای توضیح تحقیق دیگری که به بررسی اصطکاک در خلاء کامل می پردازد، استفاده کرد. در تحقیقی که سال ۲۰۱۱ انجام شد، فیزیکدان ها نشان دادند که اگر در خلاء کامل، تعداد ذرات “مجازی” که یک شیء در حال چرخش را هل می دهند، بیش از تعداد ذراتی باشد که همجهت با شیء حرکت می کنند، آنگاه می توان گفت در خلاء کامل هم اصطکاک وجود دارد.

هنوز در این مورد به نتیجه قطعی نرسیده ایم، اما یک چیز مسلم است: در خلاء، اتفاقات عجیبی رخ می دهد.
این تحقیق در نشریه Physics Review Letters منتشر شده است.