فیزیکدانان مدتهاست در این اندیشه هستند که آیا ماده میتواند بهصورت خودبهخودی از “هیچ” پدید آید، فرآیندی که با نام «اثر شوینگر» شناخته میشود.
هلیوم ابرسیال نشان داده که میتواند نمونهای قابلبررسی از “اثر شوینگر” باشد و درک ما را از گردابهها و تونلزنی کوانتومی، ژرفتر کند. در سال ۱۹۵۱، فیزیکدان “جولیان شوینگر” پیشنهاد داد که اگر میدان الکتریکی یکنواختی بر یک خلأ اعمال شود، ممکن است جفتهای الکترون-پوزیترون بهصورت خودبهخودی ظاهر شوند، فرآیندی که از تونلزنی کوانتومی ناشی میشود.
اما چرا ایدهی «خلق ماده از هیچ» نمیتواند منبعی برای ساخت نسخهای واقعی از بازتولیدکنندههای فیلم “پیشتازان فضا” یا دستگاههای انتقالدهنده، باشد؟ چون میدانهای الکتریکی لازم برای این پدیده بهقدری بزرگ هستند که هیچ آزمایشگاهی توان تولیدشان را ندارد. به همین دلیل، “اثر شوینگر” تاکنون هرگز بهطور مستقیم مشاهده نشده است.
هلیوم بهعنوان نمونهی آزمایشگاهی
فیزیکدانان بریتیش کلمبیا اکنون پدیدهای مرتبط را در سیستمی قابلکنترلتر ایجاد کردند. در روش آنها، یک لایهی نازک از هلیوم ابرسیال جایگزین خلأ میشود و جریان ابرسیال نقش میدان الکتریکی عظیم را ایفا میکند. دکتر “فیلیپ استمپ” نظریهپرداز فیزیک مادهی چگال و گرانش کوانتومی در UBC که یافتههای جدیدش در ۱ سپتامبر ۲۰۲۵ در مجلهی PNAS منتشر شد، توضیح داد: «هلیوم-۴ ابرسیال واقعاً شگفتانگیز است. وقتی تنها چند لایهی اتمی ضخامت دارد، بهراحتی میتوان آن را تا دمایی سرد کرد که عملاً به حالت خلأ بدون اصطکاک میرسد.»
وی افزود: «وقتی این خلأ بدون اصطکاک را به جریان میاندازیم، بهجای آنکه جفتهای الکترون-پوزیترون ظاهر شوند، جفتهای گردابه و پادگردابه بهطور خودبهخودی پدید میآیند که در جهتهای مخالف یکدیگر میچرخند.»
ترسیم نظریه و مسیر آزمایش
در این مقاله، دکتر استمپ و همکارش مایکل دِروشِر نظریه و ریاضیات پشت این پدیده را شرح داده و چارچوب دقیقی برای اجرای آزمایش مستقیم پیشنهاد کردند. تونلزنی خلأ موضوعی بسیار مورد توجه در مکانیک کوانتومی و نظریهی میدان کوانتومی است. در نظریهی کوانتومی، خلأ واقعاً خالی نیست، بلکه پر از نوسانات میدانهایی است که میتوانند باعث پیدایش و ناپدید شدن موقتی ذرات مجازی شوند.
دکتر “استمپ” گفت: «ما فکر میکنیم آنالوگ هلیوم-۴ شبیهسازی خوبی از چندین پدیدهی کیهانی است، مانند خلأ در اعماق فضا، سیاهچالههای کوانتومی، و حتی آغاز خود جهان. و این پدیدهها چیزهایی هستند که هرگز نمیتوانیم بهطور مستقیم آزمایششان کنیم.»
فراتر از شبیهسازیها و ورود به دنیای واقعی ابرشارهها
با این حال، استمپ تأکید میکند که اهمیت واقعی کارشان شاید کمتر در این شبیهسازیها باشد — که همیشه محدودیت دارند — و بیشتر در تغییر نگرش ما نسبت به ابرسیالها و گذارهای فازی در سامانههای دوبعدی است. به گفته وی: «اینها سامانههای فیزیکی واقعی هستند، نه صرفاً نمونههای شبیهسازیشده. و ما میتوانیم روی آنها آزمایش انجام دهیم.»
در سطح ریاضی، پژوهشگران برای کارکرد این نظریه نیازمند چند پیشرفت کلیدی بودند. برای مثال، در پژوهشهای پیشین، جرم گردابهها در ابرسیالها، همواره ثابت فرض میشد. اما محققان نشان دادند که این جرم هنگام حرکت گردابهها بهشدت تغییر میکند — و این موضوع اساس درک ما از رفتار گردابهها -چه در مایعات و چه در کیهان آغازین- دگرگون میسازد.
“دِروشِر” میگوید: «هیجانانگیز است که بفهمیم جرم چگونه و چرا تغییر میکند، و این تغییر چه تأثیری بر درک ما از فرآیندهای تونلزنی کوانتومی میگذارد، فرآیندهایی که در فیزیک، شیمی و زیستشناسی بسیار رایج هستند.»
همچنین “استمپ” استدلال میکند که همین تغییر جرم میتواند برای جفتهای الکترون-پوزیترون در “اثر شوینگر” نیز رخ دهد، و بدینترتیب خود نظریهی شوینگر را اصلاح کند، پدیدهای که او از آن با تعبیر «انتقام شبیهسازی» یاد میکند.
