تینا مزدکی_فیزیکدانان با بررسی ریاضی ایده‌ای قدیمی درباره معکوس‌سازی زمان در مکانیک کوانتومی، به محدودیتی مهم رسیده‌اند. بر اساس این پژوهش، محیط اطراف سیستم کوانتومی با ثبت اطلاعات فرایندها، امکان بازگرداندن روند زمان را محدود می‌کند. این یافته می‌تواند به درک بهتر دلیل یک‌طرفه بودن زمان در تجربه روزمره ما کمک کند.
- محققان ایده نظری ماشین انتقال زمانی کوانتومی را دوباره بررسی کردند.
- در ساده‌ترین مدل، معکوس شدن مؤثر زمان حدود یک فمتوثانیه، معادل یک میلیون‌میلیاردم ثانیه، دوام دارد.
- این مدل بر برهم‌نهی کوانتومی، تداخل و انتخاب پسینی نتایج خاص تکیه دارد.
- پژوهشگران برای بررسی معکوس شدن زمان، فرایند واپاشی اتم‌ها را به‌عنوان نمونه در نظر گرفتند.
- تعامل اتم‌ها با میدان الکترومغناطیسی محیط، اطلاعاتی از فرایند واپاشی ثبت می‌کند و امکان معکوس‌سازی را محدود می‌سازد.
- انتخاب نتایج بسیار نادر باعث می‌شود این مدل با قانون دوم ترمودینامیک تناقضی نداشته باشد.
تجربه روزمره ما از زمان، حرکتی پیوسته و یک‌طرفه را نشان می‌دهد، اما قوانین فیزیک تصویر پیچیده‌تری ارائه می‌کنند. در نظریه نسبیت، گرانش و سرعت بالا می‌توانند گذر زمان را کند کنند. با این حال، در مکانیک کوانتومی احتمال دیگری مطرح می‌شود، اینکه زمان نه‌فقط کند، بلکه به‌طور مؤثر معکوس شود.
پژوهش تازه دو فیزیکدان نشان می‌دهد محیط کوانتومی محدودیتی جدی برای چنین فرایندی ایجاد می‌کند. در ساده‌ترین مدلی که بررسی شده، بازگشت مؤثر زمان فقط حدود یک فمتوثانیه، معادل یک میلیون‌میلیاردم ثانیه، امکان‌پذیر است.
ایده ماشین زمان کوانتومی از کجا آمد؟
این فیزیکدانان در سال ۱۹۹۰ طرح نظری دستگاهی به نام «ماشین انتقال زمانی کوانتومی» را مطرح کردند. این دستگاه می‌توانست با استفاده از ویژگی‌های عجیب مکانیک کوانتومی، سیستمی را طوری تغییر دهد که گویی زمان برای آن سریع‌تر گذشته، متوقف شده یا به عقب بازگشته است.
اساس این ایده، پدیده‌ای به نام برهم‌نهی کوانتومی است. در این وضعیت، یک سیستم می‌تواند هم‌زمان ترکیبی از چند حالت ممکن را داشته باشد.
برای نمونه، ساعتی را تصور کنید که به‌طور هم‌زمان در دو موقعیت متفاوت از یک میدان گرانشی قرار دارد. در موقعیت نزدیک‌تر به منبع گرانش، زمان کندتر می‌گذرد و در موقعیت دورتر، سرعت گذر زمان بیشتر است.
مکانیک کوانتومی اجازه می‌دهد این دو حالت هم‌زمان وجود داشته باشند. اگر دو شاخه دوباره با یکدیگر ترکیب شوند، می‌توانند تداخل ایجاد کنند.
پژوهشگران با انتخاب نتیجه‌ای خاص از این تداخل، فرایندی موسوم به «انتخاب پسینی» را به کار می‌گیرند. در چنین شرایطی، ساعت ممکن است طوری رفتار کند که گویی زمانی بیشتر، کمتر یا حتی مقداری منفی را تجربه کرده است.
چگونه می‌توان معکوس شدن زمان را تشخیص داد؟
دو فیزیکدان پس از ۳۶ سال به این ایده بازگشتند تا بررسی کنند زمان تا چه اندازه می‌تواند به‌طور مؤثر معکوس شود. از آنجا که این دستگاه هنوز در حد نظریه است، آن‌ها چهار آرایش متفاوت را از نظر ریاضی بررسی کردند.
اما ابتدا باید مشخص می‌شد که معکوس شدن زمان را چگونه می‌توان تشخیص داد.
پژوهشگران برای پاسخ به این پرسش، فرایند واپاشی اتمی را در نظر گرفتند. وقتی اتم انرژی جذب می‌کند، یکی از الکترون‌های آن به سطح انرژی بالاتری می‌رود و اتم در حالت برانگیخته قرار می‌گیرد. این حالت پایدار نیست و الکترون سرانجام به سطح پایین‌تری بازمی‌گردد. در این فرایند، انرژی اضافی به شکل فوتون آزاد می‌شود.
این فرایند که «گسیل خودبه‌خودی» نام دارد، در شرایط عادی فقط در یک جهت اتفاق می‌افتد. پژوهشگران فرض کردند ۱۰۰ اتم برانگیخته وجود دارد که پس از مدتی، ۲۰ اتم انرژی خود را آزاد کرده‌اند و ۸۰ اتم همچنان برانگیخته باقی مانده‌اند. اگر این مجموعه از ماشین زمان نظری عبور کند و تعداد اتم‌های برانگیخته دوباره به بیش از ۸۰ برسد، می‌توان گفت بخشی از فرایند واپاشی به‌طور مؤثر معکوس شده است.
محیط اطراف، مانع اصلی بازگشت زمان
معکوس شدن فرایند واپاشی به این معناست که نور منتشرشده نیز باید به اتم‌ها بازگردد و آن‌ها را دوباره به حالت برانگیخته برساند. اما فوتون‌ها ممکن است از اتم‌ها دور شده یا جذب مواد دیگر شده باشند.
برای بررسی این مسئله، پژوهشگران محفظه‌ای کاملا بسته را در نظر گرفتند که اتم‌ها، نور منتشرشده و دیواره‌های جذب‌کننده فوتون را در خود جای می‌دهد. در این مدل، کل محفظه از ماشین زمان نظری عبور می‌کند تا امکان معکوس شدن فرایند بررسی شود.
با این حال، حتی در چنین محفظه‌ای نیز اتم‌ها از محیط اطراف جدا نیستند. هنگام انتشار نور، آن‌ها با میدان الکترومغناطیسی تعامل می‌کنند و ردپایی از اتفاقات در محیط باقی می‌گذارند.
معکوس شدن واپاشی در ساده‌ترین مدل به حفظ همدوسی کوانتومی وابسته است. یعنی اطلاعات مربوط به دو مسیر احتمالی باید به اندازه کافی حفظ شود تا امکان تداخل آن‌ها وجود داشته باشد.
اما این فرصت بسیار کوتاه است. در نمونه نوری بررسی‌شده، پنجره زمانی لازم حدود یک فمتوثانیه دوام دارد. پس از آن، محیط اطلاعات زیادی از فرایند انتشار نور در خود ثبت کرده است و مدل ساده دوشاخه‌ای دیگر نمی‌تواند واپاشی را معکوس کند.
بنابراین، محدودیت اصلی از خود زمان ناشی نمی‌شود، بلکه به حافظه محیط از رویدادهای کوانتومی مربوط است.
آیا معکوس شدن زمان قانون دوم ترمودینامیک را نقض می‌کند؟
مدل‌های پیچیده‌تر این ماشین می‌توانند از نظر نظری بازه‌های زمانی طولانی‌تری را معکوس کنند، اما به شاخه‌های کوانتومی بسیار بیشتری نیاز دارند و احتمال موفقیت آن‌ها به‌شدت کاهش می‌یابد.
این موضوع پرسشی مهم درباره قانون دوم ترمودینامیک ایجاد می‌کند. بر اساس این قانون، آنتروپی کل یک سیستم منزوی نمی‌تواند کاهش یابد و فرایندهای طبیعی معمولاً از حالت‌های منظم‌تر به سمت حالت‌های نامنظم‌تر حرکت می‌کنند.
پژوهشگران به این پرسش که آیا بازگشت زمان این قانون را نقض می‌کند، پاسخ منفی می‌دهند. دلیل آن به همان فرایند انتخاب پسینی مربوط است. معکوس شدن ظاهری زمان فقط در بخش بسیار کوچکی از نتایج احتمالی رخ می‌دهد که به‌طور خاص انتخاب شده‌اند.
وقتی همه نتایج ممکن در نظر گرفته شوند، سیستم همچنان از قانون دوم ترمودینامیک پیروی می‌کند و آنتروپی آن به‌طور کلی کاهش نمی‌یابد.
اهمیت پژوهش برای شناخت جهت زمان
هدف این پژوهش ساخت دستگاهی برای سفر به گذشته نیست، بلکه بررسی این پرسش بنیادی است که چرا زمان در تجربه ما فقط در یک جهت حرکت می‌کند.
بسیاری از معادلات بنیادی فیزیک از نظر ریاضی میان حرکت رو به جلو و عقب تفاوتی قائل نمی‌شوند، اما فرایندهای جهان واقعی معمولاً برگشت‌ناپذیرند.
یافته‌های دانشمندان می‌تواند به فیزیکدانان کمک کند نقش محیط کوانتومی را در شکل‌گیری این برگشت‌ناپذیری بهتر بشناسند. به تعبیر پژوهشگران، «پیکان زمان دقیقا در نقطه‌ای ظاهر می‌شود که ماشین متوقف می‌شود».
این پژوهش هنوز در مرحله نظری قرار دارد و اثبات تجربی سفر در زمان یا بازگشت واقعی اشیا به گذشته نیست.
منبع: Science alert