ნულოვანი წერტილის ენერგია: რატომ ვერასდროს დავცლით ყუთს ბოლომდე?

ამ სტატიის ორიგინალი Quanta Magazine-ში გამოქვეყნდა. წარმოიდგინეთ, რომ გსურთ ყუთის დაცლა. მართლა, მთლიანად დაცლა. თქვენ ამოიღებთ მის ყველა ხილულ შიგთავსს, ამოტუმბავთ ნებისმიერ გაზს და – ზოგიერთი სამეცნიერო-ფანტასტიკური ტექნოლოგიის გამოყენებით – მოაშორებთ ნებისმიერ უხილავ მასალას, როგორიცაა ბნელი მატერია. კვანტური მექანიკის თანახმად, რა რჩება შიგნით? ეს ხრიკულ კითხვას ჰგავს. და კვანტურ მექანიკაში, თქვენ იცით, რომ ხრიკულ პასუხს უნდა ელოდოთ. არა მხოლოდ ყუთი რჩება ენერგიით სავსე, არამედ მის დაცლას თქვენი ყველა მცდელობა თითქმის არაფერს აკლებს. ეს გარდაუვალი ნარჩენი ცნობილია როგორც ძირითადი მდგომარეობის ენერგია, ანუ ნულოვანი წერტილის ენერგია. იგი ორი ძირითადი ფორმით არსებობს: ყუთში არსებული დაკავშირებულია ველებთან, როგორიცაა ელექტრომაგნიტური ველი, ხოლო მეორე დაკავშირებულია დისკრეტულ ობიექტებთან, როგორიცაა ატომები და მოლეკულები. შესაძლოა, შეამციროთ ველის ვიბრაციები, მაგრამ ვერ აღმოფხვრით მისი არსებობის ყოველგვარ კვალს. ატომები და მოლეკულები ინარჩუნებენ ენერგიას მაშინაც კი, თუ ისინი თვითნებურად ახლოს იქნებიან აბსოლუტურ ნულთან. ორივე შემთხვევაში, ფუნდამენტური ფიზიკა იდენტურია. ნულოვანი წერტილის ენერგია დამახასიათებელია ნებისმიერი მატერიალური სტრუქტურისთვის ან ობიექტისთვის, რომელიც, სულ მცირე, ნაწილობრივ შეზღუდულია, მაგალითად, ატომი, რომელიც მოლეკულაში ელექტრული ველებით არის შეკავებული. სიტუაცია ჰგავს ბურთისას, რომელიც ხეობის ფსკერზეა დასახლებული. ბურთის მთლიანი ენერგია შედგება მისი პოტენციური ენერგიისგან (პოზიციასთან დაკავშირებული) პლუს მისი კინეტიკური ენერგია (მოძრაობასთან დაკავშირებული). ორივე კომპონენტის გასანულებლად, თქვენ უნდა მიანიჭოთ ზუსტი მნიშვნელობა როგორც ობიექტის პოზიციას, ასევე მის სიჩქარეს, რაც აკრძალულია ჰაიზენბერგის განუზღვრელობის პრინციპით. რასაც ნულოვანი წერტილის ენერგიის არსებობა უფრო ღრმა დონეზე გვეუბნება, საბოლოოდ დამოკიდებულია იმაზე, თუ კვანტური მექანიკის რომელ ინტერპრეტაციას მიიღებთ. ერთადერთი უდავო რამ, რაც შეიძლება ითქვას, არის ის, რომ თუ თქვენ ნაწილაკების ჯგუფს მათ უმდაბლეს ენერგეტიკულ მდგომარეობაში მოათავსებთ და გაზომავთ მათ პოზიციებს ან სიჩქარეებს, თქვენ დააკვირდებით მნიშვნელობების გავრცელებას. ენერგიისგან დაცლის მიუხედავად, ნაწილაკები ისე გამოიყურებიან, თითქოს კანკალებდნენ. კვანტური მექანიკის ზოგიერთ ინტერპრეტაციაში ისინი ნამდვილად კანკალებენ. მაგრამ სხვებში, მოძრაობის გამოჩენა კლასიკური ფიზიკის შეცდომაში შემყვანი გადმონაშთია და არ არსებობს ინტუიციური გზა იმის წარმოსაჩენად, თუ რა ხდება. ნულოვანი წერტილის ენერგია პირველად მაქს პლანკმა შემოიღო 1911 წელს. ამის შემდეგ, „ვფიქრობ, აინშტაინი იყო ის, ვინც პირველად სერიოზულად მოეკიდა ამას“, – თქვა როჩესტერის უნივერსიტეტის თეორეტიკოსმა პიტერ მილონიმ, რომელიც კვანტურ ვაკუუმს სწავლობს. აინშტაინი და სხვები ნულოვანი წერტილის ენერგიას იყენებდნენ მრავალი ფენომენის ასახსნელად, მათ შორის მოლეკულებისა და კრისტალური მესრების დახვეწილი ვიბრაციები, თუნდაც მათ უმდაბლეს ენერგეტიკულ მდგომარეობებში, და თხევადი ჰელიუმის მყარ მდგომარეობაში კონდენსაციის შეუძლებლობა ჩვეულებრივ წნევაზე, თუნდაც ისეთ დაბალ ტემპერატურაზე, სადაც ატომების ადგილზე ჩაკეტვას მოელოდით. ალბერტ აინშტაინი და მაქს პლანკი ბერლინში, 1931 წლის ნოემბერი. ბოლოდროინდელი მაგალითი გამოქვეყნდა 2025 წელს ჰამბურგთან ახლოს მდებარე ევროპის რენტგენის თავისუფალი ელექტრონული ლაზერის დანადგარის მკვლევრების მიერ, სხვა ინსტიტუტებთან ერთად. მათ გააცივეს იოდოპირიდინი, 11 ატომისგან შემდგარი ორგანული მოლეკულა, თითქმის აბსოლუტურ ნულამდე და ლაზერული იმპულსით დაარტყეს მას ატომური ბმების გასაწყვეტად. გუნდმა აღმოაჩინა, რომ განთავისუფლებული ატომების მოძრაობები კორელირებული იყო, რაც მიუთითებდა, რომ გაცივებული მდგომარეობის მიუხედავად, იოდოპირიდინის მოლეკულა ვიბრირებდა. „ეს თავდაპირველად ექსპერიმენტის მთავარი მიზანი არ იყო“, – თქვა რებეკა ბოლმა, დანადგარის ექსპერიმენტულმა ფიზიკოსმა. „ეს ძირითადად ის არის, რაც ჩვენ აღმოვაჩინეთ.“ შესაძლოა, ველში ნულოვანი წერტილის ენერგიის ყველაზე ცნობილი ეფექტი ჰენდრიკ კაზიმირმა იწინასწარმეტყველა 1948 წელს, დაფიქსირდა 1958 წელს და საბოლოოდ დადასტურდა 1997 წელს. ელექტრულად არადამუხტული მასალის ორ ფირფიტას – რომლებიც კაზიმირმა პარალელურ ლითონის ფურცლებად წარმოიდგინა, თუმცა სხვა ფორმები და ნივთიერებებიც გამოდგება – ერთმანეთზე ძალა მოქმედებს. კაზიმირმა თქვა, რომ ფირფიტები ელექტრომაგნიტური ველისთვის ერთგვარი გილიოტინის როლს შეასრულებდნენ, გრძელტალღოვან რხევებს ისე „მოკვეთდნენ“, რომ ნულოვანი წერტილის ენერგიას გადახრიდნენ. ყველაზე მიღებული ახსნის თანახმად, გარკვეული გაგებით, ფირფიტების გარეთ არსებული ენერგია უფრო მაღალია, ვიდრე ფირფიტებს შორის არსებული ენერგია, და სწორედ ეს განსხვავება იზიდავს ფირფიტებს ერთმანეთისკენ. კვანტური ველის თეორეტიკოსები, როგორც წესი, ველებს აღწერენ როგორც ოსცილატორების ერთობლიობას, რომელთაგან თითოეულს აქვს საკუთარი ნულოვანი წერტილის ენერგია. ველში ოსცილატორების უსასრულო რაოდენობაა, შესაბამისად, ველი უნდა შეიცავდეს ნულოვანი წერტილის ენერგიის უსასრულო რაოდენობას. როდესაც ფიზიკოსებმა ეს 1930-იან და 40-იან წლებში გააცნობიერეს, თავიდან ეჭვი შეეპარათ თეორიაში, მაგრამ მალევე შეეგუვნენ უსასრულობებს. ფიზიკაში – ან, ყოველ შემთხვევაში, ფიზიკის უმეტეს ნაწილში – ენერგიის განსხვავებებია ის, რაც ნამდვილად მნიშვნელოვანია, და ფრთხილად მოქმედებით ფიზიკოსებს შეუძლიათ ერთი უსასრულობა მეორეს გამოაკლონ, რათა დაინახონ, რა რჩება. თუმცა, ეს არ მუშაობს გრავიტაციის შემთხვევაში. უკვე 1946 წელს ვოლფგანგ პაულიმ გააცნობიერა, რომ ნულოვანი წერტილის ენერგიის უსასრულო ან, სულ მცირე, გიგანტურმა რაოდენობამ უნდა შექმნას საკმარისად ძლიერი გრავიტაციული ველი, რომ სამყარო ააფეთქოს. „ენერგიის ყველა ფორმა გრავიტაციას ახდენს,“ – თქვა ს