فیزیکدانان چگونه توانستند از «هیچ» انرژی استخراج کنند؟

برای فهم این مقاله نیاز نیست فیزیک رو حرفه‌ای بلد باشید، ولی اگر اصطلاحی براتون ناآشنا بود حتما سرچ کنید و بعد به خوندن ادامه بدید. ایجاد انرژی از هوای رقیق عجیب به نظر می‌رسد، اما در عمل انجام شده است. مرحله بعدی که کم‌و‌بیش به جادو شبیه است، استخراج انرژی از هیچ به روش‌های کوانتومی است. بعد از پیشنهاد پروژه «تله‌پورت انرژی کوانتومی» در سال ۲۰۰۸، این ایده توسط دانشمندان تا حد زیادی نادیده گرفته شد. هم‌اکنون با دو آزمایش مستقل نشان داده شده است که انتقال انرژی آنقدر هم دور از ذهن نیست.کپی‌رایت: Kristina Armitage از مجله کوانتاویلیام آنری، فیزیکدان نظری در دانشگاه بریتیش کلمبیا دراین‌باره می‌گوید: «شما نمی‌توانید مستقیما از خلا انرژی استخراج کنید، زیرا چیزی برای استخراج وجود ندارد.» اما فیزیک کوانتوم بارها به ما نشان داده است که نباید بیش از حد به عقل سلیم یا به اصطلاح تفکر کلاسیک تکیه کنیم.پانزده سال پیش ماساهیرو هوتا، فیزیکدان نظری در دانشگاه توهوکو ژاپن، پیشنهاد کرد که شاید بتوانیم با تحریک خلا چیزی از آن استخراج کنیم. در ابتدا، بسیاری از محققان مشکوک بودند که استخراج انرژی از خلا در بهترین حالت غیرممکن است. با این حال، کسانی که به دقت نگاه کردند متوجه شدند که هوتا یک ایده کوانتومی خلاقانه و متفاوتی را پیشنهاد کرده بود.انرژی رایگان نبوده و نیست. ما باید با استفاده از دانش خریداری شده با انرژی، دوباره انرژی تولید کنیم. از این منظر، رویه هوتا کمتر شبیه خلق جادو و بیشتر شبیه انتقال انرژی از یک مکان به مکان دیگر بود. ویلیام آنری که بعدا با هوتا همکاری کرده بود، می‌گوید: "این (کشف) یک معجزه واقعی بود که هوتا به آن دست یافت."در سال گذشته، محققان انرژی را در فواصل میکروسکوپی در دو دستگاه کوانتومی مجزا از راه دور انتقال داده‌اند که نظریه هوتا را تایید می‌کند. این تحقیق جای چندانی برای تردید باقی نمی‌گذارد که انتقال انرژی از راه دور یک «پدیده کوانتومی» است.سث لوید، فیزیکدان کوانتومی در مؤسسه فناوری ماساچوست که در این تحقیق شرکت نداشت، می‌گوید: «این تحقیق حقیقتا آن (نظریه هوتا) را آزمایش می‌کند. شما در واقع در حال تله پورت و در حال استخراج انرژی هستید.»ماساهیرو هوتااعتبار کوانتومیاولین کسی که به انتقال انرژی کوانتومی شک پیدا کرد، خود هوتا بود. در سال ۲۰۰۸، او به دنبال راهی برای اندازه‌گیری استحکام یک پیوند مکانیکی کوانتومی به نام درهم‌تنیدگی بود، که در آن دو یا چند جسم حالت کوانتومی واحدی دارند که باعث می‌شود حتی زمانی که در فاصله زیاد از هم قرار دارند، به شیوه‌های مشابه رفتار کنند.یکی از مشخصه‌های درهم‌تنیدگی این است که باید در یک لحظه ایجاد شود. این بدین معنا است که شما نمی توانید رفتار یک ذره را مستقل از دیگری تغییر دهید.هوتا در حین مطالعه سیاهچاله‌ها به این گمان رسید که رویداد عجیب و غریب در نظریه کوانتومی که به «انرژی منفی» موسوم است، می‌تواند کلید اندازه‌گیری درهم‌تنیدگی باشد. سیاهچاله‌ها با انتشار تشعشعات درهم‌تنیده در درون خود کوچک‌تر می‌شوند، فرآیندی که می‌تواند مانند سیاهچاله‌ای در حال بلعیدن انرژی منفی دیده شود.هوتا خاطرنشان کرد که به نظر می‌رسد انرژی منفی و درهم‌تنیدگی ارتباط نزدیکی باهم دارند. او برای اثبات ادعای خود تلاش کرد تا نشان دهد انرژی منفی - مانند درهم‌تنیدگی - نمی‌تواند از طریق اقدامات مستقل در مکان‌های مشخص ایجاد شود.شتابدهنده هادرونیهوتا در کمال تعجب متوجه شد که در واقع یک توالی ساده از رویدادها می‌تواند خلا کوانتومی را وادار کند تا به منفی میل کند و انرژی که به نظر نمی‌رسید دارد را از دست بدهد. او اضافه کرد: «اول فکر کردم اشتباه می‌کنم، بنابراین دوباره محاسبه کردم و سعی کردم موضوع را منطقی‌تر بررسی کنم. اما من نتوانستم نقصی در محاسبات خود پیدا کنم.»آزمایش ذهنیمشکل از ماهیت خارق‌العاده خلا کوانتومی شروع می‌شود که نوع عجیبی از هیچ‌بودن است که به طرز خطرناکی به چیزی‌بودن نزدیک می‌شود. اصل عدم قطعیت، سیستم‌های کوانتومی را از قرار گرفتن در حالت کاملا ساکن با انرژی دقیقا صفر منع می‌کند. در نتیجه، حتی خلا نیز ملزم است که با نوسانات میدان‌های کوانتومی که آن را پر می‌کند، تحرک داشته باشد. این نوسانات بی‌پایان هر میدانی را با حداقل مقدار انرژی که به عنوان «انرژی نقطه صفر» شناخته می‌شود، اشباع می‌کند. سیستمی که دارای حداقل انرژی است، در حالت پایه قرار دارد و نمی‌تواند پایین‌تر برود.از نوسانات بی‌وقفه خلا نمی‌توان برای تغذیه یک ماشین با حرکت پیوسته استفاده کرد، زیرا نوسانات در یک مکان مشخص کاملا تصادفی هستند. برای مثال، تصور کنید که یک باتری کوانتومی خیالی را به جاروبرقی متصل می‌کنید، نیمی از نوسانات این باتری دستگاه را شارژ می‌کند و نیم دیگر آن را تخلیه می‌کند.در واقع، میدان‌های کوانتومی درهم‌تنیده‌اند؛ یعنی نوسانات در یک نقطه با نوسانات در نقطه دیگر مطابقت دارند. در سال ۲۰۰۸، هوتا مقاله‌ای منتشر کرد که در آن توضیح داد که چگونه دو فیزیکدان، آلیس و باب، ممکن است از این وابستگی‌ها برای بیرون کشیدن انرژی از حالت پایه که باب را احاطه کرده است، استفاده کنند. این طرح چیزی شبیه به این است.باب نیازمند انرژی است؛ او می‌خواهد باتری کوانتومی خیالی را شارژ کند اما تنها چیزی که به آن دسترسی دارد فضای خالی است. خوشبختانه دوست او آلیس در مکانی دور یک آزمایشگاه فیزیک مجهز دارد. آلیس میدان را در آزمایشگاه خود اندازه‌گیری می‌کند، از همانجا انرژی به میدان تزریق می‌کند و در مورد نوسانات آن مطالعه می‌کند. این آزمایش میدان کلی را از حالت پایه خارج می کند، اما تا آنجا که باب می‌تواند اظهار نظر کند، خلا در حالت حداقل انرژی باقی مانده و به طور تصادفی در نوسان است.اما آلیس یافته‌ها در مورد خلا اطراف خود را به باب پیامک می‌کند و به باب می‌گوید چه زمانی باتری خود را وصل کند. پس از اینکه باب پیام او را خواند، می‌تواند از دانش جدید برای آماده‌سازی آزمایشی استفاده کند که تا مقدار مشخص‌شده توسط آلیس انرژی را از خلا استخراج کند.ادواردو مارتین مارتینز، فیزیکدان نظری در دانشگاه واترلو و موسسه پریمیتر که روی یکی از آزمایش‌های جدید کار می‌کند، می‌گوید: «این اطلاعات به باب اجازه می‌دهد اگر بخواهد، نوسانات را زمان‌بندی کند. او اضافه کرد که به دلیل ماهیت انتزاعی میدان‌های کوانتومی، مفهوم زمان‌بندی بیشتر استعاری است تا تحت‌اللفظی.با مکانیک کوانتومی می‌توانید کارهای خارق‌العاده‌ای انجام دهید.ویلیام آنری، دانشگاه بریتیش کلمبیاباب نمی‌تواند بیشتر از مقدار انرژی که آلیس وارد کرده است، استخراج کند؛ بنابراین قانون بقای انرژی حفظ می‌شود. و البته باب دانش لازم برای استخراج انرژی بدون پیامک آلیس را به دلیل اینکه هیچ چیزی سریعتر از نور در خلا حرکت نمی‌کند، ندارد. بنابرین این ایده هیچ اصل فیزیکی را نقض نمی‌کند.انتقال انرژیالبته ماشین‌هایی که از انرژی نقطه صفر خلا بهره‌برداری کنند، پایه اصلی داستان‌های علمی-تخیلی هستند. همین موضوع باعث شد که نظرات هوتا جدی گرفته نشود. اما او با تشویق اونری، کسی که به دلیل کشف یک رفتارعجیب خلا شهرت یافته بود، به توسعه ایده خود و ترویج آن در سمینارها ادامه داد.هوتا همچنین به دنبال راهی برای آزمایش نظریه خود بود. او با گو یوسا، یک آزمایشگر متخصص در مواد متراکم در دانشگاه توهوکو ارتباط برقرار کرد. آن دو آزمایشی را در یک سیستم نیمه هادی با حالت پایه درهم‌تنیده مشابه با میدان الکترومغناطیسی طراحی و پیشنهاد کردند.اما تحقیقات آن‌ها بارها و بارها به دلیل اتفاق‌های متفاوت به تعویق افتاد. پس از تامین مالی آزمایش، زلزله و سونامی در مارس 2011 سواحل شرقی ژاپن ازجمله دانشگاه توهوکو را ویران کرد. تجهیزات آزمایشگاهی آن‌ها آسیب شدیدی از زلزله دید و تا مدتی آزمایش‌ها متوقف شد. هوتا و یوسا دوباره از صفر شروع کردند.پیش به سوی جهانبا گذشت زمان، ایده‌های هوتا در جهان پخش شد و او به پیشنهاد اونری، در کنفرانسی در سال 2013 در بانف کانادا سخنرانی کرد. این سخنرانی توجه مارتین مارتینز را به خود جلب کرد. مارتین مارتینز دراین‌باره می‌گوید: «ذهن هوتا متفاوت از بقیه کار می‌کند. او فردی است که ایده‌های غيرعادى زیادی دارد که بسیار خلاقانه هستند.»مارتین مارتینز، که خود را به شوخی یک «مهندس فضا و زمان» می‌داند، مدت‌هاست که رویای یافتن راه‌های مجاز فیزیکی برای ایجاد کرم‌چاله‌، تاب‌پیمایی و ماشین‌ زمان را در سر می‌پروراند. هر یک از این پدیده‌های عجیب و غریب با معادلات نسبیت عام سازگار و امکان اینکه پدید آیند، غیرممکن نیست. اما همچنان توسط شرایط بازدارنده به اصطلاح انرژی محدود شده‌اند. تعداد انگشت شماری از محدودیت هایی که فیزیکدانان مشهور راجر پنروز و استیون هاوکینگ نادیده گرفتند تا نظریه را از نشان دادن جنبه وحشی خود بازدارند.مهم‌ترین دستاورد هاوکینگ و پنروز این قضیه بود که دریافتند چگالی انرژی منفی مجاز نیست. اما مارتین مارتینز در حین گوش دادن به سخنرانی هوتا، متوجه شد که پایین‌تر از تراز حالت پایه، شبیه به جایی است که انرژی منفی دارد. این مفهوم برای یکی از طرفداران فن‌آوری‌های جنگ ستارگان جالب بود و باعث شد که مارتین به کارهای هوتا بپردازد.مارتین به زودی متوجه شد که انتقال انرژی از راه دور می‌تواند به حل مشکل برخی از همکارانش ازجمله رایموند لافلام، واترلو و نایلی رودریگز بریونز که در بحث اطلاعات کوانتومی با آن مواجه بودند، کمک کند. همکاران مارتین هدف ساده‌تری داشتند؛ گرفتن کیوبیت (بلوک‌های سازنده رایانه‌های کوانتومی) و سرد کردن آن‌ها تا حد امکان. کیوبیت‌های سرد کیوبیت‌های بهتری هستند. اما این گروه به یک حد از تئوری رسیده بودند که بیشتر از آن خارج کردن گرما از کیوبیت‌ها غیرممکن به نظر می‌رسید؛ همان‌طور که باب با خلا که استخراج انرژی از آن غیرممکن به نظر می‌رسید، مواجه شد.این گروه آزمایش را بارها و بارها تکرار کردند و اندازه‌گیری‌های متعددی انجام دادند؛ به طوری که توانستند خواص کوانتومی سه اتم را درطول فرآیند، بازسازی کنند. در پایان، آن‌ها در پایان آن‌ها انرژی اتم کربن باب که به طور متوسط کاهش یافته بود را محاسبه کردند؛ بدین ترتیب می‌توان نتیجه گرفت انرژی اتم استخراج و در محیط آزاد شده بود. این اتفاق علی‌رغم این واقعیت که اتم باب همیشه در حالت پایه خود شروع به کار می‌کند، رخ داد.IBMپروسه انتقال انرژی بیش از ۳۷ میلی ثانیه طول نکشید اگرچه برای اینکه انرژی از یک طرف مولکول به سمت دیگر حرکت کند، معمولا بیش از بیست برابر بیشتر طول می کشد؛ یعنی نزدیک به یک ثانیه کامل. انرژی صرف‌شده توسط آلیس به باب اجازه داد تا قفل انرژی غیرقابل دسترس را باز کند.دیدن اینکه با فناوری کنونی می‌توان فعال شدن انرژی را مشاهده کرد، بسیار زیبا بود. نایلی رودریگز بریونز، دانشگاه کالیفرنیانایلی رودریگز بروینز فکر می‌کند که از این سیستم‌ها می‌توان برای مطالعه گرما، انرژی و درهم‌تنیدگی در سیستم‌های کوانتومی استفاده کرد.مبانی نظریهآزمایش‌های دوم ده ماه بعد انجام شد. چند روز قبل از کریسمس کازوکی ایکدا، محقق محاسبات کوانتومی در دانشگاه استونی بروک، در حال تماشای ویدیویی در یوتیوب درباره انتقال انرژی بی‌سیم بود که سوالی به ذهنش رسید که آیا می‌توان چیزی مشابه را با کمک مکانیک کوانتومی انجام داد. او سپس کار هوتا را به یاد آورد؛ زمانی که هوتا در مقطع کارشناسی در دانشگاه توهوکو تحصیل می کرد، یکی از اساتید او بود و متوجه شد که می‌تواند پروتکل انتقال انرژی کوانتومی را بر روی پلتفرم محاسبات کوانتومی IBM اجرا کند.چند روز بعد، او بر اساس همین ایده برنامه‌ای نوشت و از راه دور اجرا کرد و در نتیجه آزمایش‌ها تایید کردند که کیوبیت باب به زیر انرژی حالت پایه خود می‌رسد. در هفت ژانویه، او نتایج خود را به مجله ارسال کرد.تقریبا پانزده سال پس از اینکه هوتا برای اولین بار انتقال انرژی از راه دور را توجیه کرده بود، دو آزمایش ساده با فاصله کمتر از یک سال ثابت کردند که این امکان حقیقتا وجود دارد. لوید می‌گوید: «مقالات به خوبی با تجربه همخوانی دارند. بسیار متعجبم که هیچ‌کس زودتر این کار را نکرد.»چند روز بعد، او بر اساس همین ایده برنامه‌ای نوشت و از راه دور اجرا کرد و در نتیجه آزمایش‌ها تایید کردند که کیوبیت باب به زیر انرژی حالت پایه خود می‌رسد. در هفت ژانویه، او نتایج خود را به مجله ارسال کرد.Kristina Armitage/Quanta Magazine تقریبا پانزده سال پس از اینکه هوتا برای اولین بار انتقال انرژی از راه دور را توجیه کرده بود، دو آزمایش ساده با فاصله کمتر از یک سال ثابت کردند که این امکان حقیقتا وجود دارد. لوید می‌گوید: «مقالات به خوبی با تجربه همخوانی دارند. بسیار متعجبم که هیچ‌کس زودتر این کار را نکرد.»رویاهای علمی-تخیلیالبته هوتا همچنان رضایت کامل نداشت و آزمایش‌ها را فقط به عنوان اولین قدم مهم می‌دانست. او آزمایش‌ها را شبیه‌سازی‌های کوانتومی می‌داند؛ این یعنی رفتار درهم‌تنیده در حالت پایه برنامه‌ریزی شده است یا از طریق پالس‌های رادیویی و یا از طریق عملیات کوانتومی در دستگاه‌های IBM ایجاد شده‌اند. او سعی دارد که انرژی نقطه صفر را از سیستمی که حالت پایه آن به طور طبیعی دارای درهم تنیدگی با همان شیوه‌ای که میدان‌های کوانتومی بنیادی که در جهان نفوذ می‌کنند است، استخراج کند.بنابرین هوتا و یوسا در حال انجام آزمایش اصلی خود هستند و امیدوارند در سال‌های آینده، انتقال انرژی کوانتومی را در یک سطح سیلیکونی که دارای جریان‌های لبه‌ای با حالت پایه که به طور ذاتی درهم‌تنیده است، نشان دهند؛ سیستمی که رفتاری شبیه به میدان الکترومغناطیسی دارد.فیزیک واقعی همین است، رویای علمی-تخیلی چیز دیگری‌ست.هوتا، دانشگاه توهوکو