فیزیک‌دانان به راز وارونه‌شدن زمان در دنیای کوانتومی پی بردند

تینا مزدکی_با تجزیه و تحلیل ریاضی یک مفهوم قدیمی در مورد معکوس‌سازی زمان در زمینه مکانیک کوانتومی، فیزیک‌دانان به یک محدودیت اساسی دست یافته‌اند. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که محیط اطراف یک سیستم کوانتومی با ثبت اطلاعات مربوط به فرایندها، امکان بازگشت زمان را چندان تسهیل نمی‌کند. این کشف می‌تواند در توضیح دلایل یک‌طرفه بودن زمان که در تجارب روزانه مشاهده می‌کنیم، کمک کند.

• پژوهشگران بار دیگر به بررسی نظریه ماشین زمان کوانتومی پرداختند.
• در ابتدایی‌ترین مدل مورد بحث، معکوس شدن زمان به طور مؤثر حدود یک فمتوثانیه، که معادل یک میلیون‌میلیاردم ثانیه است، طول می‌کشد.
• این مدل متکی به برهم‌نهی کوانتومی، تداخل و فرآیند انتخاب پسینی نتایج خاص است.
• محققان، فرآیند واپاشی اتم‌ها را به‌عنوان نمونه‌ای برای بررسی معکوس شدن زمان در نظر گرفتند.
• تعامل اتم‌ها با میدان الکترومغناطیسی موجود در محیط، اطلاعاتی را از فرآیند واپاشی ثبت می‌کند که معکوس‌سازی آن را دشوار می‌سازد.
• انتخاب نتایج کاملاً نادر، باعث می‌شود که این مدل هیچ تناقضی با قانون دوم ترمودینامیک نداشته باشد.

تجربه‌های روزمره ما نشان‌دهنده حرکت پیوسته و یک‌طرفه زمان است، اما قوانین فیزیک تصویر بغرنج‌تری را ارائه می‌دهند. در نظریه نسبیت، گرانش و سرعت بالا می‌توانند به کند شدن حرکت زمان منتهی شوند. با این حال، مکانیک کوانتومی احتمال دیگری را مطرح می‌سازد که در آن زمان نه تنها می‌تواند کند شود بلکه به‌طور مؤثر معکوس نیز گردد.

تحقیق تازه‌ای که توسط دو فیزیک‌دان انجام شده، مشخص می‌کند که محیط کوانتومی برای چنین فرآیندی محدودیت‌های جدی ایجاد می‌کند. در ساده‌ترین مدل مورد تحلیل، بازگشت مؤثر زمان تنها در حدود یک فمتوثانیه، معادل یک میلیون‌میلیاردم ثانیه، صورت می‌پذیرد.

ایده ماشین زمان کوانتومی از کجا نشأت گرفت؟

این فیزیک‌دانان در سال ۱۹۹۰ نمونه نظریه‌ای از دستگاهی به نام «ماشین زمان کوانتومی» را پیشنهاد کردند. این دستگاه می‌توانست با بکارگیری ویژگی‌های عجیب مکانیک کوانتومی، سیستمی را به‌گونه‌ای تغییر دهد که گویی زمان برای آن تندتر گذشته، متوقف شده یا حتی به عقب برگشته است.

پایه و اساس این ایده، پدیده‌ای به نام برهم‌نهی کوانتومی است. در این حالت، یک سیستم می‌تواند به طور هم‌زمان ترکیبی از چندین حالت ممکن را داشته باشد.

برای مثال، ساعتی را تصور کنید که به‌طور هم‌زمان در دو موقعیت مختلف از یک میدان گرانشی قرار دارد. در محدوده نزدیک‌تر به منبع گرانشی، زمان کندتر می‌گذرد و در موقعیت دورتر، جریان زمان سریع‌تر است.

مکانیک کوانتومی اجازه می‌دهد که این دو حالت هم‌زمان وجود داشته باشند. اگر این دو پرامتر دوباره ترکیب شوند، می‌توانند تداخلی ایجاد کنند.

محققان با انتخاب یک نتیجه خاص از این تداخل، فرایندی به نام «انتخاب پسینی» را اجرا می‌کنند. در این شرایط، ممکن است ساعت به‌گونه‌ای عمل کند که گویی زمان بیشتری، کمتری یا حتی مقداری منفی را تجربه کرده است.

چگونه می‌توان معکوس شدن زمان را شناسایی کرد؟

دو فیزیک‌دان پس از گذشت ۳۶ سال به این فرضیه بازگشتند تا بررسی کنند که تا چه حد ممکن است زمان به‌طور مؤثر معکوس شود. از آنجا که این دستگاه هنوز در مرحله نظری باقی مانده است، آن‌ها چهار آرایش متفاوت را از طریق تحلیل ریاضی مورد بررسی قرار دادند.

اما در آغاز، باید مشخص می‌شد که چگونه می‌توان وقوع معکوس شدن زمان را شناسایی کرد.

محققان برای یافتن پاسخ این سوال، فرآیند واپاشی اتمی را مدنظر قرار دادند. زمانی که اتم انرژی جذب می‌کند، یکی از الکترون‌های آن به سطح انرژی بالاتری منتقل می‌شود و اتم به حالت برانگیخته وارد می‌گردد. این حالت پایدار نیست و در نهایت الکترون به وضعیت پایین‌تری بازمی‌گردد. در این فرآیند، انرژی اضافی به صورت فوتون آزاد می‌شود.

این فرآیند که به نام «گسیل خودبه‌خودی» شناخته می‌شود، تحت شرایط معمول تنها در یک جهت صورت می‌گیرد. پژوهشگران فرض کردند که ۱۰۰ اتم برانگیخته در حالت وجود دارند که پس از مدتی، ۲۰ اتم انرژی خود را آزاد کرده‌اند و ۸۰ اتم هنوز در حالت برانگیخته باقی مانده‌اند. اگر این ترکیب از ماشین زمان نظری عبور کند و تعداد اتم‌های برانگیخته مجدداً به بیش از ۸۰ برسد، می‌توان نتیجه گرفت که بخشی از فرآیند واپاشی به‌طور مؤثر معکوس شده است.

محیط اطراف، مانع اصلی بازگشت زمان

معکوس شدن فرآیند واپاشی به این معناست که نور منتشرشده نیز باید دوباره به اتم‌ها برگردد و آنها را به حالت برانگیخته برساند. اما فوتون‌ها ممکن است از اتم‌ها دور شوند یا در مواد دیگر جذب گردند.

برای بررسی این معضل، پژوهشگران یک محفظه کاملاً ایزوله را در نظر گرفتند که شامل اتم‌ها، نور منتشرشده و دیواره‌های جذب‌کننده فوتون باشد. در این مدل، کل محفظه از ماشین زمان نظری عبور می‌کند تا امکان معکوس کردن فرآیند مورد بررسی قرار گیرد.

اما همچنان در چنین محفظه‌ای، اتم‌ها از محیط پیرامون جدا نیستند. هنگام انتشار نور، آنها با میدان الکترومغناطیسی در تعامل هستند و در نتیجه اثرات این رویداد را در محیط باقی می‌گذارند.

معکوس شدن واپاشی در ساده‌ترین مدل به حفظ همدوسی کوانتومی وابسته است. یعنی اطلاعات مربوط به دو مسیر احتمالی باید به‌قدر کافی حفظ شود تا امکان تداخل آنها وجود داشته باشد.

اما این زمان بسیار اندک است. در نمونه نوری بررسی‌شده، مدت زمان لازم برای این کار حدود یک فمتوثانیه است. بعد از این بازه، محیط اطلاعات فراوانی از فرآیند انتشار نور در خود به ثبت می‌رساند و مدل ساده و دوشاخه‌ای دیگر نمی‌تواند واپاشی را معکوس نماید.

بنابراین، محدودیت اصلی ناشی از خود زمان نیست، بلکه به خاطر حافظه محیط از رویدادهای کوانتومی می‌باشد.

آیا معکوس شدن زمان قانون دوم ترمودینامیک را نقض می‌کند؟

مدل‌های پیچیده‌تر این دستگاه می‌توانند از نظر نظری زمان‌های طولانی‌تری را معکوس کنند، اما به شاخه‌های کوانتومی بسیار بیشتری نیاز دارند و احتمال موفقیت آنها به‌شدت کاهش می‌یابد.

این مسئله سؤالاتی مهم درباره قانون دوم ترمودینامیک ایجاد می‌کند. براساس این قانون، آنتروپی کل یک سیستم منزوی نمی‌تواند کاهش یابد و فرایندهای طبیعی عموماً از حالت‌های منظم به سمت حالت‌های نامنظم حرکت می‌کنند.

محققان به سوال اینکه آیا این بازگشت زمان این قانون را نقض می‌کند، پاسخ منفی می‌دهند. دلیل این امر به همان فرآیند انتخاب پسینی مربوط می‌شود. معکوس شدن ظاهری زمان تنها در یک گروه بسیار کوچک از نتایج احتمالی وجود دارد که به‌طور خاص انتخاب شده‌اند.

هنگامی که تمامی نتایج ممکن در نظر گرفته شوند، سیستم همچنان از قانون دوم ترمودینامیک تبعیت کرده و آنتروپی آن به‌طور کلی کاهش نخواهد یافت.

اهمیت این تحقیق برای درک جهت زمان

هدف این پژوهش ساخت دستگاهی برای سفر به گذشته نیست، بلکه بررسی این سوال بنیادی است که چرا زمان در تجربیات ما تنها در یک مسیر حرکت می‌کند.

بسیاری از معادلات بنیادین فیزیک از منظر ریاضی میان حرکت به جلو و به عقب تفاوتی قائل نمی‌شوند، اما فرآیندهای واقعی جهان معمولاً به سمت وضعیتی برگشت‌ناپذیر حرکت می‌کنند.

یافته‌های این دانشمندان ممکن است به فیزیک‌دانان کمک کند تا نقش محیط کوانتومی را در شکل‌دهی به این برگشت‌ناپذیری بهتر درک کنند. به گفته پژوهشگران، «پیکان زمان دقیقاً در نقطه‌ای نمایان می‌شود که ماشین متوقف می‌شود».

این تحقیق هنوز در حال توسعه نظری است و به هیچ‌وجه به اثبات تجربی سفر در زمان یا برگشت واقعی اشیا به گذشته مربوط نمی‌شود.

منبع: Science alert

۲۲۷۳۲۳