تخيل منطقة من الفراغ، على سبيل المثال متر مكعب في الفضاء الخارجي أُزيل منه كل الهيدروجين والجسيمات الأخرى. هل يمكن أن يكون خاليا حقا من المادة والطاقة؟ في الكون الكمي، الإجابة هي لا.

إن امتلاك معلومة دقيقة تقضي بأنه وجود لأي جسيم في كل نقطة، يعني بالتبعية أننا لا نعرف شيئا عن الحركة ومن ثم الطاقة. قد تزيل كل المادة والكتلة، لكن عدم اليقين الكمي يقضي بأنه توجد طاقة؛ إذ يستحيل أن تنعدم الطاقة أيضا. أما التأكيد على أن هناك فراغا لا يحتوي على مادة أو كتلة أو طاقة فينتهك مبدأ. عدم اليقين. يوجد حد، أدنى يعرف بـ «طاقة نقطة الصفر»، لكن هذا هو أفضل ما يمكنك فعله. ومن الممكن تصور هذا من خلال التفكير في بندول يتكون من عدد قليل من الذرات.

يمكن تحديد السرعة المحددة لجسيم ما فقط إذا كان موضعه غير معروف. يعني هذا أن أي تجمع صغير من الجزيئات المعلقة في خيط من الذرات تتأرجح كالبندول يستحيل أن يسكن سكونا تاما أبدا، بحيث يتدلى رأسيا وتكون كرة الجزيئات ساكنة عند أدنى ارتفاع، أي عند «نقطة الصفر». بدلًا من هذا يقضي عدم اليقين الكمي أنها لا بد أن تتمايل ميلا خفيفا حول هذا الموضع. تُسمى هذه الظاهرة حركة نقطة الصفر.

بينما تتأرجح الجزيئات تحت تأثير الجاذبية، كلما ارتفعت عن نقطة الصفر، زادت طاقة الوضع الخاصة بها. عند قمة التأرجح تبلغ طاقة الوضع للبندول المرئي ذروتها، وتكون طاقة الحركة صفرا، وعلى العكس، تبلغ طاقة الوضع عند قاع التأرجح صفرا وتبلغ طاقة الحركة ذروتها. في حالة البندول الكمي «النانومتري» تكون الأمور أدق. فإذا خفضنا طاقة الوضع إلى حدها الأدنى من خلال تثبيت كرة البندول عند ارتفاع صفر، فإن حالتها الحركية ومن ثم طاقتها الحركية تصبح غير محددة. وعلى العكس، قلل طاقة الحركة من خلال إيقاف البندول، فيصبح ارتفاعه فوق الصفر غير معروف. تقضي ميكانيكا الكم بأن ثمة حدا أدنى من طاقتي الحركة والوضع يمكن الوصول إليهما؛ إذ يستحيل أن تكون قيمتهما في الآن ذاته صفرا. وهذا الحد الأدنى هو طاقة نقطة الصفر للتجمع الذري.

بالنسبة للبندول المرئي، مثل ذلك الموجود في الساعات القديمة، تكون طاقة نقطة الصفر صغيرة للغاية إلى درجة تجعلها غير ملحوظة. غير أنه بالنسبة للتجمعات المكونة من أعداد قليلة من الذرات والجزيئات، فإن هذه الطاقة الدنيا قابلة للمقارنة بالطاقات الإجمالية لتلك المجموعات من الجسيمات نفسها. عندئذ تتجسد طاقة نقطة الصفر من خلال الحركة، على سبيل المثال حركة الذرات داخل الجزيئات وحركة الجزيئات المنفردة داخل تجمع الجزيئات الكلي. وهكذا في الوقت الذي تسبب فيه حركة الجزيئات داخل المادة حدوث ما نسميه حرارة، فإنه كلما ارتفعت الحرارة اهتاجت حركة الجزيئات، وتقضي نظرية الكم بأنه ستظل هناك طاقة نقطة صفر جوهرية حتى فيما يصل المرء إلى درجة حرارة الصفر المطلق، والبالغة -273 درجة مئوية، والمسماة بدرجة الصفر الكلفينية. ومن الآثار المترتبة على ذلك أنه من المستحيل الوصول إلى درجة الصفر المطلق التي يكون فيها كل شيء ساكنا ودون زخم أو طاقة.

الأمر الجدير بالذكر هو أن هذا ينطبق على أي حجم محدود من الفضاء، حتى لو لم توجد فيه مادة. يترتب على هذا أن أي منطقة محدودة من الفضاء الخالي - «الخالي» بمعنى أن كل صور المادة أزيلت منه - ستكون مملوءة بالطاقة. فجميع المساحات المحدودة من أي حجم هي عرضة لتذبذبات الطاقة. بالنسبة للمساحات المرئية، يكون التأثير غاية في الصغر لدرجة تجعله لا يلاحظ، أما في المساحات شديدة الصغر، فتذبذبات الطاقة تكون هائلة.

شكل 7-2: (أ) يبدأ البندول عاليا في حالة سكون: تكون طاقة الوضع كبيرة، وتكون طاقة الحركة منعدمة. تسبب قوة الجاذبية تأرجحه إلى الأسفل، وصولا إلى أدنى نقطة تنعدم فيها طاقة الوضع، وتكون طاقة الحركة في أشد درجاتها. خلال عملية التأرجح يكون مجموع طاقة الحركة وطاقة الوضع ثابتا. (ب) من الممكن تعليق البندول رأسيا في حالة سكون. تكون طاقة الوضع منعدمة، تماما مثل طاقة الحركة. ومن ثم يكون مجموع الطاقتين صفرا. (ج) مع البندول الكمي ليس بالإمكان أن تبلغ طاقة الوضع وطاقة الحركة صفرا في الوقت عينه. عندما يتدلى البندول في أدنى نقطة، حيث تكون طاقة الوضع صفرا، تكون حركته غير محددة، ومن ثم تكون طاقة الحركة الخاصة به غير معروفة. هذه هي «حركة نقطة الصفر». (د) وعلى العكس، إذا كان البندول ساكنا وطاقة الحركة لديه تساوي صفرا، فسيكون موضعه، ومن ثم طاقة الوضع الخاصة به، غير محددة. (هـ) هناك حد أدنى إجمالي لطاقتي الحركة والوضع يعرف باسم طاقة نقطة الصفر.

مثلما يستطيع شعاعا ضوء ان يلغي أحدهما الآخر إلى الصفر نتيجة خصائصهما شبه الموجية، يستطيع الصفر أن يتحول إلى شيئين متعادلين. قد لا يحتوي الفراغ على مجالات كهرومغناطيسية إجمالا، لكن التذبذبات التي تحفزها ظاهرة نقطة الصفر موجودة دائما، وهو ما يترتب عليه عدم وجود شيء من قبيل الفراغ الخاوي فعليا. فمن وجهة النظر المعاصرة، الفراغ هو حالة تكون فيها الطاقة عند أدنى قدر ممكن؛ أي الحالة التي يستحيل أن نزيل منها المزيد من الطاقة. باللغة العلمية تسمى هذه الحالة من الفراغ «الحالة القاعية». في قوانين الطبيعة تكمن حالات مثيرة، فيها تتطابق كثافات الطاقة مع جسیم أو جسيمين أو حتى مليارات الجسيمات المادية أو الإشعاع. بإمكانك أن تزيل كل هذه الجسيمات الحقيقية إلى أن تصل للحالة القاعية، غير أن التذبذبات الكمية ستظل باقية. يشبه الفراغ الكمي الوسط، وحسب معرفتنا بالحالات القاعية في الأنظمة المرئية، يمكن توقع المزيد من المفاجآت بالنسبة لخصائص الفراغ الكمي.

نحتاج أولا إلى أن نقتنع بأن طاقة نقطة الصفر حقيقية، وليست مجرد حيلة رياضية. اقترح هندريك كازيمير في عام 1948 نتيجة فيزيائية مترتبة عليها، وبعد سنوات من المحاولات، أثبتنا أخيرا ذلك بالتجربة العملية في عام 1996. الفراغ بحر كمي من موجات نقطة الصفر، بكل الأطوال الموجية الممكنة، بدءا من تلك التي تكون أصغر حتى من المقياس الذري، ووصولا إلى تلك الهائلة بحق. الآن، ضع لوحين معدنيين، منفصلين قليلا بحيث يوازي أحدهما الآخر في الفراغ. تبدأ قوة ضئيلة لكن يمكن قياسها في جذبهما أحدهما نحو الآخر. بالطبع هناك قوة جذب متبادلة بين اللوحين، لكنها غير جديرة بالذكر على مقياس «تأثير كازيمير»، الذي ينتج عن الطريقة التي يخلخل بها اللوحين الموجات التي تملأ الفراغ الكمي. توصل المعادن الكهرباء، وهذا يؤثر على أي موجات كهرومغناطيسية في طاقة نقطة الصفر الموجودة في الفراغ. تقضي نظرية الكم بأنه بين اللوحين، فقط الموجات ذات الأطوال الموجية المقدرة قيمها بأعداد صحيحة تامة هي التي تستطيع أن توجد. فعلى غرار وتر الكمان الذي يهتز بين طرفيه الثابتين فيصدر صوتا ونغمات موسيقية، وحدها النغمات التي «تتناغم» مع الفجوة بين اللوحين يمكنها أن «تهتز»، في حين أنه خارج اللوحين يمكن أن توجد كل الأطوال الموجية الممكنة. وعليه، ثمة بعض الأمواج «المفقودة» بين اللوحين، وهو ما يعني أن الضغط المبذول على الجانبين الداخليين من اللوحين أقل من الضغط المبذول على الجانبين الخارجيين، ويؤدي هذا لوجود قوة إجمالية تضغط اللوحين أحدهما نحو الآخر. تتنبأ ميكانيكا الكم بالمقدار الذي ينبغي أن تكون عليه هذه القوة. إذ يتناسب مقدارها طرديا مع كم بلانك (نظرا لأنها تأثير كمي)، ومع سرعة الموجات الكهرومغناطيسية، ويتناسب تناسبا عكسيا المسافة d بين اللوحين مرفوعة إلى القوة الرابعة، أي d⁴. يعني هذا أن القوة تتلاشى عندما يتباعد اللوحان، وهو ما يبدو منطقيا لأننا في حالة الانفصال التام سنعود مجددا إلى حالة الفراغ اللانهائي الخالية من أي تأثير. وعلى العكس، تصير القوة أكبر عندما يقترب اللوحان بشدة، وفي مثل هذه الظروف من الممكن قياس هذه القوة، وبذا نتحقق من كل من مقدار القوة وتفاوت المسافة الفاصلة بينهما.

وهكذا جرى قياس القوة، وتأكيد التأثير، وإثبات مبدأ طاقة نقطة الصفر في الفراغ. يثبت «تأثير كازيمير» أن «التغيير» في طاقة نقطة الصفر هو كمية حقيقية يمكن قياسها، مع أن طاقة نقطة الصفر نفسها لا يمكن قياسها. إن مقدار طاقة نقطة الصفر غير محدد فعليا، وأدى التأويل المغلوط للنظرية إلى مقترحات على غرار ذلك الذي طرحته مجلة «إنفينيت إينرجي» قائلة إن هذا مصدر للطاقة لم يلق له العلم بالا ويمكن استغلاله في عملية الاندماج البارد وما شابه. لكن طاقة نقطة الصفر ليست كذلك. إنها ببساطة الحد الأدنى من الطاقة الذي يمكن أن يوجد في أي نظام، أو فراغ.

 حركة نقطة الصفر الخاصة بالمجالات الكهرومغناطيسية موجودة على الدوام في الفراغ. ويستحيل استخلاص طاقة نقطة الصفر أو استخدامها كطاقة؛ فالطاقة تكون في أقل صورها داخل الفراغ فعليا. ومع ذلك يمكن الشعور بتأثيرات حكة نقطة الصفر من خلال الجسيمات التي تمر عبر الفراغ.

 يتذبذب الإلكترون إبان حركته تذبذبا خفيفا لأنه يشعر بحركة نقطة الصفر الخاصة بالمجالات الكهرومغناطيسية الفارغة. وللكشف عن هذا نحتاج مرجعية قابلة للقياس، ويعد الإلكترون الحبيس داخل ذرة الهيدروجين دليلًا كافيًا على أن الفراغ ليس خاويا بالمرة. يتحرك إلكترون داخل ذرة الهيدروجين بسرعة تبلغ نحو واحد بالمائة من سرعة الضوء. يكشف مطياف الهيدروجين التغيرات الحادثة في الطاقة وتقفز الإلكترونات بين المدارات المختلفة في الذرات. وتتجسد اختلافات الطاقة بين المستويات المتعددة على صورة طاقة الضوء التي تظهر في خطوط الطيف. مكن التطور في تقنيات الرادار إبان الحرب العالمية الثانية علماء الفيزياء في فترة ما بعد الحرب من قياس طاقات الطيف، والاستدلال على الإلكترونات، بدرجة من الدقة تزيد على الجزء من المليون. أدى هذا إلى اكتشاف «إزاحة لامب»، والمسماة على اسم ويليام لامب، أول من قاسها في عام 1947، وهذه الإزاحة الطفيفة مقارنة بما توقعته ميكانيكا الكم إذا كان الفراغ خاويا بحق تتفق اتفاقا تامًا مع الحسابات التي تتضمن تأثيرات التذبذبات في فراغ كمي يعج بالنشاط.

تخبرنا ميكانيكا الكم على نحو دقيق بشأن الظواهر التي تحدث على المستوى دون الذري، وهي تفعل هذا في الوقت الذي تتجاهل فيه تأثيرات الجاذبية. لم ينجح أحد في الجمع بين الدعامتين العظيمتين لفيزياء القرن العشرين – نظرية الكم والجاذبية العامة في نظرية موحدة متوافقة حسابيا ومختبرة تجريبيا. من الناحية العملية، يتحاشى العلماء هذا لأن كلتا النظريتين مثاليتان كل واحدة في المجال الخاص بها. لكن بعد انقضاء 10^-43 ثوان على الانفجار العظيم، كان الكون في غاية الصغر وكانت الجاذبية مسيطرة على كل شيء، ومن ثم خضعت تلك الفترة لسيطرة نظرية الجاذبية الكمية. يظل الكشف عن هذه النظرية أحد التحديات الرئيسية التي لم يسبر غورها في الفيزياء الرياضية. ومع ذلك، يمكننا أن نقدر التبعات العميقة التي ستخلفها على بعض من المشكلات التي تحتاج لحل. على سبيل المثال، تقر خبرتنا بأن أبعاد المكان والزمان مختلفة على نحو ما، على الأقل من حيث قدرتنا على التحرك عبرها أو استقبال المعلومات أو معالجتها. وفي حين أن هذا الفرق الضئيل حقيقي كما ندركه بحواسنا، وينطبق على وصفنا للظواهر الطبيعية وصولا إلى مقياس الذرات وما وراءه، حين كان كوننا في تلك اللحظات الأولى منضغطا في مساحة قدرها 10^-35 أمتار، كان من شأن نظرية الجاذبية الكمية أن تجمع المكان والزمان معا على نحو معقد لا ينفصم. ففي الجاذبية الكمية لا بد للمكان والزمان أن يكونا «واحدا» بطريقة ما.

 يوحي عدم اليقين المتبادل بين الحركة، والزخم، والطاقة، والموضع في الزمان والمكان بأنه في الجاذبية الكمية تحدث تذبذبات في نسيج المكان والزمان نفسيهما. وإن استطعنا قياس مسافات صغيرة مقارنة بالبروتون كما يكون البروتون مقارنة بالإنسان، أو أن نسجل مقاييس زمنية تصل في قصرها إلى10^-43 ثوان، لوجدنا أن مصفوفة نيوتن تبددت إلى زبد من الزمكان. أعجز عن تخيل ما سيكون عليه هذا، لكن كتاب الخيال العلمي سيحبونه.

ثمة اتفاق عام على أن كل ما نعرفه الآن نشأ من الفراغ الكمي، حتى مصفوفة المكان والزمان. وكما سنرى، لهذا الفراغ المحموم تبعات عميقة على فهمنا لطبيعة الخلق من العدم.