ההיגיון הפשוט אומר שהאין הוא ההיפך של היש. אם נוציא את כל מה שיש בנפח מסויים של המרחב ישאר שם האין. מרחב ריק. כלום. תורת השדות הקוונטית מתארת מציאות אחרת, מפתיעה ולא לגמרי מובנת.

בנוסף ליש המוכר לנו, יש חומר אחר, האנטי-יש, שהוא היפוכו של היש. המרחב הריק, האין, למעשה אינו ריק, הוא מכיל את שני סוגי החומר כזוגות של חלקיקי יש ואנטי-יש בלתי נראים.

בנוסף ליש המוכר לנו, יש חומר אחר, האנטי-יש, שהוא היפוכו של היש. המרחב הריק, האין, למעשה אינו ריק, הוא מכיל את שני סוגי החומר כזוגות של חלקיקי יש ואנטי-יש בלתי נראים

אלה זוגות שקופים, המתגלים כפלוקטואציות של המרחב הריק, אבל הם בעלי אנרגיה ותנע גם במצב היסוד, והם אלה שמעבירים את הכוחות בטבע. 

מה שישנו ישנו, ומה שאיננו איננו

פרמנידס ידוע במימרה "מה שישנו ישנו, ומה שאיננו איננו".

"מה שישנו אינו יכול היה להתהוות או להיווצר ממה שאיננו, שכן מה שאיננו איננו. כמו כן מה שישנו לא יכול להיעלם, כלומר להפוך לאין, כיוון שהאין איננו. לכן מה שישנו חייב להיות נצחי. כל שינוי במה שישנו אינו אפשרי – למה יכול היש להשתנות? רק לאין. אולם האין איננו. תנועה אינה אפשרית, שכן לאן היש ינוע? הוא יכול לנוע רק למקום שהוא לא נמצא בו, כלומר לאין. אולם האין איננו. מכאן גם נובע שמה שישנו נמצא בכל מקום. לא ייתכן מקום בו יש אין, כי האין איננו".

פרמנידס שולל את קיום המרחב הריק.

בניגוד לפרמנידס, דמוקריטוס וליאוסיפוס האמינו בקיום אטומים הקיימים לנצח, שאינם ניתנים לחלוקה או שינוי. לאטומים יש צורות ומשקלים שונים והם תיארו מנגנונים של טבעות וחיבורים בין האטומים כדי להסביר את המבנה של החומר. כדי לאפשר תנועה של האטומים בנוזל ובגז הם הניחו שקיים מרחב ריק בין האטומים בניגוד לטענתו של פרמנידס וטענו שהאטומים נעים במהירות קבועה וקוים ישרים במרחב הריק שביניהם.

אריסטו התנגד לקיום האטומים והמרחב ריק, בטענה שבמרחב הריק לא תהיה התנגדות לתנועה ואי אפשר יהיה להסביר מדוע גוף נעצר ולא ממשיך לנוע לנצח. הוא טען שאם היה ריק, הוא היה מתמלא באופן מיידי על ידי הקיים מסביבו, בדומה לטענת פרמנידס. אריסטו התנגד גם לטענה שלאטומים יש צורה וקצה.

אריסטו טוען שהריק אינו מסייע לתנועה אלא דווקא מונע אותה. גם אם היתה אפשרית תנועה הרי שלא היתה מסתיימת לעולם (התמדה). לעומתו, אפיקורוס האמין בקיום האטומים והתנועה של האטומים במרחב הריק. אפיקורוס חשב שכל מה שקורה בעולם נובע מתנועת האטומים, מההתנגשויות ומהקשרים שנוצרים ביניהם. התורה של אפיקורוס שונה היתה מזו של קודמיו האטומיסטים בכך שהוא חשב שהאטומים לא רק נעים בקוים ישרים במרחב אלא גם מבצעים שינויי כיוון ספונטניים בתנועתם וקישר זאת לאי-דטרמיניזם של הטבע ולרצון החופשי.

התורה של אפיקורוס שונה משל קודמיו האטומיסטים. הוא חשב שהאטומים לא רק נעים בקוים ישרים במרחב, אלא גם מבצעים שינויי כיוון ספונטניים בתנועתם וקישר זאת לאי-דטרמיניזם של הטבע ולרצון החופשי

החומר והמרחב הריק אינם נפרדים זה מזה

זרם המהאיאנה הבודהיסטי מציב במרכז תפיסת עולמו את הריקות (שוניאטה) המאפשרת הכל מתוך התהוות הדדית, ומניח שאין תופעה בעלת קיום עצמי נפרד וקבוע. יעקב רז מתאר את סוטרת הלב של זרם המהאיאנה, על פיה החומר אינו נפרד מהמרחב הריק והמרחב הריק אינו נפרד מהחומר.

על פי נגרג'ונה – מחבר דרך האמצע, לא רק החומר והצורה ריקים מקיום עצמי נפרד וקבוע, אלא כל התופעות כולן כולל מושגים לא מוחשיים. התחושות, המושגים, הנטיות, הרצונות צורת ההבחנה שלנו, התודעה – הכל ארעי ומצוי בהתהוות גומלין. שום דבר אינו נפרד וקבוע. היותנו בשדה משפיעה על השדה. על פי לאו-צה מחבר ספר הטאו:

"היש מורכב ברובו מהאין, האין והיש אין ניגוד בין השניים. כל הדברים בתבל באים מהקיים, והקיים מהלא קיים" (פיזיקה, פיסקה 40). "כד החרס עיקר שימושו הוא בחללו, על כן האין יש לו תפקיד, הריק בעל צורה" (פיסקה 11).

יש מסוג אחר

ב-1928 הצליח פול דיראק להכליל את משוואת הגלים של שרדינגר ומצא משוואת גלים יחסותית ספינורית  שנתנה פתרון טוב יותר לספקטרום של אטום המימן, כולל מצבי הספין האלקטרוני שמשוואת שרדינגר לא הסבירה.

משוואת הגלים של דיראק יצרה תוצאה חדשה, קשה להבנה ובלתי צפויה. סט פתרונות נוסף עם אנרגיות שליליות. פול דיראק הציע להניח שהיקום מלא באינסוף אלקטרונים מרמת המינוס אינסוף ועד רמת היסוד. בהסתמכו על עקרון פאולי, שקובע כי שני אלקטרונים אינם יכולים לאכלס אותו מצב קוונטי. האלקטרונים אינם יכולים לקרוס למצבי האנרגיה השליליים המאוכלסים כבר באינסוף אלקטרונים "בלתי נראים" של ים דיראק. כאשר אלקטרון מעורר מים דיראק הוא משאיר אחריו "חור", אנטי-חלקיק בעל מטען חיובי הפוך למטען האלקטרון.

דיראק גילה את קיומם של האנטי-חלקיקים ואת האנטי-חלקיק הראשון, האנטי-אלקטרון. אנדרסון גילה את האנטי-אלקטרון בניסוי ונתן לו את שמו, פוזיטרון, ב-1932 וקיבל פרס נובל על התגלית ב-1936. דיראק, בהרצאת הנובל שלו ב-1933, הניח שיש בטבע סימטריה מושלמת בין חלקיקים ואנטי-חלקיקים, והניח שייתכן שקיימים ביקום אנטי-אטומים, אנטי-כוכבים ואנטי-גלקסיות המורכבים כולם מאנטי-חלקיקים.

דיראק, בהרצאת הנובל שלו ב-1933, הניח שיש בטבע סימטריה מושלמת בין חלקיקים ואנטי-חלקיקים, והניח שקיימים ביקום אנטי-אטומים, אנטי-כוכבים ואנטי-גלקסיות המורכבים כולם מאנטי-חלקיקים

הכוחות של המרחב הריק

פיטר מילוני מתאר את השפעת מצב היסוד של השדה האלקטרומגנטי במרחב הריק על תהליכים בסיסיים בטבע. מצב היסוד של המרחב הריק מונע את הקריסה של האלקטרונים לתוך הגרעינים ומייצב את האטומים (פרק 3.3), מסביר את הפיצול באנרגיה בספקטרום של אטום המימן, את הסטת למב (פרק 3.4) ואת הכוח שמפעיל המרחב הריק על שני לוחות מתכת סמוכים, כוח קזימיר (פרק 3.10).

פיצול רמות האנרגיה של אטום המימן שגילה למב ב-1947 לא הוסבר על ידי משוואות הגלים של שרדינגר ושל דיראק, שלא הביאו בחשבון את מצב היסוד של השדה האלקטרומגנטי במרחב הריק. תיאודור וולטון הסביר את הסטת למב על ידי תנודות אקראיות במיקום האלקטרון כתוצאה ממצב היסוד של השדה האלקטרומגנטי במרחב הריק (פרק 3.6).

הנדריק קזימיר הראה ב-1948 שכתוצאה מקיום מצב היסוד של השדה האלקטרומגנטי במרחב הריק, נוצר כוח משיכה בין שני לוחות מופרדים במרחק קטן. על פי קזימיר המרחב הריק מפעיל כוחות. בשל כפיית תנאי שפה של התאפסות השדה האלקטרומגנטי על שני הלוחות, בתווך הצר שבין שני הלוחות, אפשריים פחות אופני תנודה של השדה האלקטרומגנטי מאשר בשאר המרחב שמחוץ ללוחות, דבר שיוצר לחץ קרינה אלקטרומגנטית על שני הלוחות כלפי פנים.

קזימיר חקר את כוחות ון-דר-ואלס, כוח המשיכה החלש בין אטומים או מולקולות נייטרליות וחסרות מומנט דיפול חשמלי קבוע המועבר דרך המרחב הריק, וכמו פול דיראק, גילה את הכוח של השדה האלקטרומגנטי של המרחב הריק במקרה. כשנילס בוהר שמע את התוצאה החדשה מקזימיר, הוא חשב שהתופעה קשורה לאנרגית מצב היסוד של המרחב הריק. על פי פיטר מילוני, הכוחות של המרחב הריק מאפשרים את הקיום של אטומים יציבים, מסבירים את כוחות ון דר ואלס, את ההסטה של רמות האנרגיה האלקטרוניות באטום וגם גורמים לתנודות אקראיות במיקום של האלקטרון במרחב ריק.

המרחב הריק הוא לא באמת כלום

ריצ'רד פיינמן הציג ב-1949 פרשנות שונה ליש האחר, לאנטי-חלקיקים שגילה דיראק. על פי פיינמן, זוגות של חלקיקים ואנטי-חלקיקים יכולים להיווצר ולהשמיד אחד את השני באופן ספונטני במרחב והאנטי חלקיקים נעים אחורה בזמן.

פיינמן הציג ב-1949 פרשנות שונה ליש האחר, לאנטי-חלקיקים שגילה דיראק. על פי פיינמן, זוגות של חלקיקים ואנטי-חלקיקים יכולים להיווצר ולהשמיד זה את זה באופן ספונטני במרחב, והאנטי חלקיקים נעים אחורה בזמן

אלקטרון יכול להשתחלף עם אלקטרון אחר שנוצר מהמרחב הריק באופן ספונטני ובמקום אחר, כחלק מזוג וירטואלי של אלקטרון-פוזיטרון כתנודה אקראית של השדה האלקטרומגנטי. היש משתחלף עם זוגות וירטואליים שנוצרים ספונטנית מהאין, מהמרחב הריק, ולכן האין, היש והיש האחר (האנטי-יש שנע אחורה בזמן) משתחלפים ולא ניתנים להפרדה.

שיחלוף של אלקטרון עם זוג אלקטרון-פוזיטרון וירטואלי

על פי פיינמן, המרחב הריק למעשה איננו ריק, הוא מלא בזוגות של חלקיקים ואנטי-חלקיקים שמשתתפים בתהליכים הקוונטיים הבסיסיים, כולל ריאקציות גרעיניות, כמו למשל פליטת קרינת ᵦ מגרעינים.

מה קורה לזוג חלקיק (היש) ואנטי-חלקיק (היש האחר, האנטי-יש) כאשר הם "משמידים" אחד את השני, ואיך הם "נוצרים" חזרה על ידי תנודה אקראית של השדה האלקטרומגנטי במרחב הריק? הדיאגרמות של יצירה והשמדה של זוג אלקטרון-פוזיטרון הונצחו בבול האמריקאי לכבודו של ריצ'רד פיינמן (הדיאגרמות נראות בתמונה למטה משמאלו):

הבול של ריצ'רד פיינמן

המרחב הריק הוא מה שנשאר מהחיבור ה"משונה" של היש והיש האחר?

קרייטר וואנג גילו ב-2014 פתרון חדש לשתי משוואות דיראק עבור זוג חלקיקים יחסותיים קשורים, שמתאר זוג אלקטרון-פוזיטרון (פוזיטרוניום) הנעים בשדה הממוצע של בן זוגם. קרייטר וואנג מצאו שקיים מצב קשור חדש בעל קשר חזק ועמוק יותר בסדרי גודל מבחינת אנרגית הקשר (כ-300 קילו אלקטרון וולט) ביחס לאנרגית הקשר של מצב היסוד המוכר של הפוזיטרוניום (6.8 אלקטרון וולט).

המצב הקשור החדש, "המשונה" (peculiar), דחוס הרבה יותר ומאופיין באורך גל בסדרי גודל קטן יותר מאורך הגל של אלקטרון במצב היסוד של אטום המימן. האם כאשר היש והיש האחר (האנטי-יש) "משמידים" אחד את השני הם קורסים למצב ה"משונה" ונעלמים כזוג במרחב הריק?

האם כאשר היש והיש האחר (האנטי-יש) "משמידים" אחד את השני הם קורסים למצב ה"משונה" ונעלמים כזוג במרחב הריק?

למרחב הריק יש אנרגיה גם במצב היסוד. על פי איינשטיין אנרגיה היא גם מסה, ותורת השדות הקוונטית מראה שהמסה של המרחב הריק היא אינסופית. האם זו אינדיקציה לכך שמשהו נשאר כשזוגות של חלקיקים ואנטי חלקיקים "מושמדים"? קרינת גאמא הנפלטת ממרכזים גלקטיים פעילים באורכי גל של מעל 22 ^10  ^*  2.46 (הרץ) יכולה לייצר זוגות של אלקטרון-פוזיטרון, שיכולים לקרוס למצב של הפוזיטרוניום "המשונה" ולהצטרף למרחב הריק של היקום המתפשט.

ים הזוגות צלול ועמוק כגודל היקום

ים זוגות החלקיקים והאנטי-חלקיקים (היש והאנטי-יש) "המשונים", או לא "משונים", אבל בלתי נראים, שמתגלים כתנודות אקראיות של השדות במרחב הריק, הם מאחורי הקלעים "הפועלים" שעושים את העבודה בטבע.

מצב היסוד של השדה האלקטרומגנטי במרחב הריק משחק תפקיד מרכזי בייצוב האטומים, ובלעדיהם העולם שאנו מכירים, המורכב מאטומים ומולקולות יציבות, לא היה יכול להתקיים. ים הזוגות של היש והאנטי-יש של המרחב הריק מעביר את הכוחות בטבע. באופן מפתיע ולא מובן מאליו, ליש האחר, לאנטי-יש שגילה דיראק, ולמצב היסוד של המרחב הריק שגילתה תורת השדות הקוונטית, המכיל את ים הזוגות הבלתי נראים, יש תפקיד מרכזי בטבע. ים הזוגות צלול ועמוק כגודל היקום המתפשט.

ד"ר רמי רום הוא דוקטור לכימיה פיזיקלית, עורך פטנטים וחוקר עצמאי של מלחמת יום כיפור.