زمان، مفهومی است که نه تنها در فیزیک، بلکه در دیگر حوزه‌ها نیز همیشه جنجال‌برانگیز بوده. این جنجال به ویژه هنگامی به اوج خود رسید که با نظریه نسبیت اینشتین، زمان در حوزه فیزیک و در کنار سه بعد فضا قرار گرفت؛ یعنی از یک مفهوم عالی متافیزیکی که حتی به واسطه‌ی آن مفهوم خلقت و خالق توضیح داده می‌شد، به یک مفهوم برآمده‌ی فیزیکی تنزل یافت که حتی علیت را هم دچار تزلزل نمود. زمان در قلمروی کوانتوم، حتی عحیب‌تر هم می‌شود، مانند پژوهش جدیدی که نشان می‌دهد جریان زمان می‌تواند در آن واحد، هم به سمت جلو و هم به سمت عقب باشد، یعنی حتی جناب کریستوفر نولان هم در تنت، یک پله از دنیای واقعی عقب‌تر است! با دیپ لوک همراه باشید…
گروهی از فیزیکدانان دانشگاه‌های بریستول، وین، جزایر بالئاریک و موسسه اپتیک کوانتومی و اطلاعات کوانتومی (IQOQI-Vienna) نشان داده‌اند که چگونه سیستم های کوانتومی می‌توانند به طور همزمان در امتداد دو پیکان زمانی متضاد – هم رو به جلو و هم رو به عقب در زمان – تکامل یابند. این پژوهش که در آخرین شماره مجله Communications Physics منتشر شده است، بازنگری در نحوه درک و نمایش جریان زمان در حوزه‌هایی که قوانین کوانتومی نقش مهمی در آن‌ها دارد را ضروری می‌نماید. قرن‌هاست که فلاسفه و فیزیکدانان در مورد وجود زمان تفکر کرده‌اند. به نظر می‌رسد در دنیای کلاسیک، تجربه ما هرگونه تردیدی درباره‌ی جریان زمان و جلو رفتن آن را از بین می‌برد. در واقع، در طبیعت، فرآیندها به طور خودبه‌خود از حالت‌های با بی‌نظمی کمتر به حالت‌های با بی‌نظمی بیشتر تغییر می‌کنند. از این تمایل میتوان برای شناسایی یک پیکان زمان استفاده کرد. در فیزیک، این تمایل به صورت «انتروپی» توصیف می‌شود، که کمیت فیزیکی تعیین‌کننده میزان بی‌نظمی در یک سیستم است. دکتر جولیا روبینو (Giulia Rubino) از آزمایشگاه‌های فناوری مهندسی کوانتومی دانشگاه بریستول و نویسنده اصلی این مقاله می‌گوید:
اگر پدیده‌ای مقدار زیادی انتروپی تولید کند، مشاهده زمان معکوس آن اساسا غیرممکن می‌شود. با این حال، زمانی که انتروپی تولید شده به اندازه کافی کوچک باشد، احتمال غیر قابل اغماضی برای مشاهده معکوس زمانی پدیده‌ای که به طور طبیعی رخ می‌دهد، وجود دارد.
ما می‌توانیم ترتیب کارهایی را که در برنامه صبحگاهی خود انجام می‌دهیم، به عنوان یک مثال در نظر بگیریم. اگر به ما نشان داده شود که خمیردندان ما از مسواک به لوله‌اش برمی‌گردد، بدون شک می‌گوییم این یک فیلم روبه‌عقب از روز عادی ماست. اگر لوله را به آرامی فشار دهیم تا فقط قسمت کوچکی از خمیردندان خارج شود، بعید نیست که دوباره وارد لوله شود و در اثر رفع فشار لوله، مکیده شود.
نویسندگان این پژوهش، به رهبری پروفسور کاسلاو بروکنر (Caslav Brukner) از دانشگاه وین و IQOQI-وین، این ایده را در قلمرو کوانتومی که یکی از ویژگی‌های آن اصل برهم نهی کوانتومی است، به کار بردند. بر اساس اصل برهم نهی، اگر دو حالت از یک سیستم کوانتومی امکان‌پذیر باشند، سیستم می‌تواند به طور همزمان در آن دو حالت باشد.
با بسط دادن این اصل به پیکانهای زمان، نتیجه می‌شود که سیستم‌های کوانتومی که در یک جهت یا جهت دیگر زمان تکامل می‌یابند (خمیردندانی که از لوله خارج می‌شود یا به درون لوله بازمی‌گردد)، می‌توانند به طور همزمان در هر دو جهت زمانی تکامل پیدا کنند. دکتر روبینو می‌گوید:
اگرچه به کاربردن این ایده در تجربیات روزمره ما، تقریباً بی‌معنی به نظر می‌رسد، اما قوانین جهان، در اساسی‌ترین سطح خود، مبتنی بر اصول مکانیک کوانتومی هستند. این امر یک سؤال را مطرح میکند: چرا ما هرگز با این برهم نهی‌های زمانی که در طبیعت جریان دارد، مواجه نمیشویم؟
دکتر گونزالو مانزانو (Gonzalo Manzano)، یکی از نویسندگان دیگر این پژوهش می‌گوید:
در این تحقیق، ما انتروپی تولیدشده توسط سیستمی را که در برهم نهی کوانتومی با فرآیندهایی با پیکانهای زمانی مخالف تکامل می‌یابد، اندازه‌گیری کردیم. ما دریافتیم که این امر اغلب منجر به تصویر کردن سیستم به یک جهت زمانی خوش‌تعریف، متناظر با محتمل‌ترین فرآیند می‌گردد. و با این حال، زمانی که مقادیر کمی انتروپی درگیر باشد (مثلاً وقتی خمیر دندان آنقدر کم ریخته شده است که میتوان دید دوباره جذب لوله می‌شود)، میتوان پیامدهای تکامل سیستم را در امتداد جهت‌های زمانی رو به جلو و عقب به طور همزمان مشاهده کرد.
گذشته از این ویژگی اساسی که زمان ممکن است به خوبی تعریف نشده باشد، این کار پیامدهای عملی در ترمودینامیک کوانتومی هم دارد. قرار دادن یک سیستم کوانتومی در برهم‌نهی پیکانهای زمان جایگزین می‌تواند مزایایی در عملکرد ماشین‌های حرارتی و یخچال‌ها داشته باشد. دکتر روبینو می‌گوید:
اگرچه زمان اغلب به عنوان یک پارامتر به طور مداوم در حال افزایش درنظر گرفته می‌شود، مطالعه ما نشان می‌دهد که قوانین حاکم بر جریان زمان در حوزه‌های کوانتومی، بسیار پیچیده‌تر هستند. این امر ممکن است نشان دهد که ما باید در نحوه نمایش این کمیت در همه حوزه‌هایی که قوانین کوانتومی نقش مهمی دارند، تجدید نظر کنیم.
گفتگو۳ دیدگاه
و عالی و بازهم عالی خانم دکتر ریاحی عزیز… مثل همیشه
فقط حیف کوتاه بود…
با احترام میدودنید همیشه برام این سوال هست که درک ما این وسط نقش بازی میکند یا قواعد طبیعت (اگر چه کهفکر کنم در دنیای کوانتم واقعیت بیرون ذهن وجود ندارد البته شما بهتر میدانید)؟
آیا ما خیلی درگیر اجزا مدل هایی که برای توصیف رفتار طبیعت بکار میبریم نمیشویم (مثل انتروپی) که گاهی مجبور به بررسی تناقض ها میشویم یا تناقض ها ناشی از مدل هایی نیستند که ما ساختیم؟
سپاس فراوان
بسیار عالی و با تشکر از زحمات شما
آموختم بسیار از مطالب وزین خانم سادات ریاحی. از اتم های سرکش بیشتر بنویسید.