زمان قابلیت عقب و جلو رفتن دارد؟

به گزارش مجله خبری نگار/دیجیاتو، تصور کنید یک روز موبایلتان ناگهان روشن و پیامی کوتاه از آینده روی صفحه آن ظاهر شود؛ پیامی که می‌تواند مسیر زندگی‌تان را تغییر دهد. این تصویر هیجان‌انگیز هنوز به دنیای علمی‌تخیلی تعلق دارد، اما پژوهشی تازه در فیزیک کوانتوم، پرسشی شگفت‌انگیز و کاملاً جدی را پیش روی دانشمندان گذاشته است: آیا ممکن است اطلاعات، مسیر یک‌طرفه زمان را بشکند و از آینده به گذشته بازگردد؟ فیزیکدانان هنوز راهی برای ارسال پیام به دیروز پیدا نکرده‌اند، اما نشان داده‌اند که در شرایطی کاملاً فرضی و با استفاده از پدیده‌ای به‌نام پس‌گزینی کوانتومی، می‌توان ظرفیت چنین ارتباط عجیبی را از نظر ریاضی محاسبه کرد.

پشت تیتر‌های سفر در زمان چه خبر است؟

انتشار مقاله‌ای علمی با عنوان «ظرفیت پس‌علّی یک کانال کوانتومی» (Retrocausal Capacity of a Quantum Channel) کافی بود تا تیتر‌هایی شگفت‌انگیز مانند «فیزیکد‌انان راهی برای فرستادن پیام به گذشته پیدا کردند» در رسانه‌ها ظاهر شوند. چنین جمله‌ای بی‌تردید هیجان‌انگیز است، اما نتیجه واقعی پژوهش با ساخت یک دستگاه ارتباطی برای تماس با دیروز فاصله زیادی دارد. «کای‌یوان جی»، «ست لوید» و «مارک وایلد» در این مقاله، سناریویی کاملاً نظری را بررسی کرده‌اند: اگر نوع خاصی از مسیر بسته زمانی در طبیعت وجود داشته باشد، چه مقدار اطلاعات می‌تواند از آینده به گذشته منتقل شود و نویز تا چه اندازه این ارتباط را مختل خواهد کرد؟

در این پژوهش نویسندگان یکی از عجیب‌ترین ایده‌های فیزیک، یعنی ارتباط در خلاف جهت زمان را از قلمرو داستان‌های علمی‌تخیلی بیرون آورده‌اند و به مسئله‌ای دقیق و قابل‌محاسبه در نظریه اطلاعات کوانتومی تبدیل کرده‌اند. آنها ماشین زمان نساخته‌اند، اما نشان داده‌اند که اگر چنین کانالی روزی امکان‌پذیر باشد، می‌توان ظرفیت، محدودیت‌ها و رفتار آن را در برابر نویز با زبان ریاضیات توصیف کرد.

چرا علیت در فیزیک مدرن پیچیده می‌شود؟

در تجربه روزمره، علت پیش از معلول رخ می‌دهد. دکمه را فشار می‌دهیم و بعد چراغ روشن می‌شود. این ترتیب ساده، پایه درک ما از زمان و ترتیب اتفاقات در جهان است. اما نظریه نسبیت نشان داد که زمان آن‌قدر‌ها هم مطلق و یکسان نیست. دو ناظر که با سرعت‌های متفاوت حرکت می‌کنند، درباره هم‌زمان بودن دو رویداد شاید نظر یکسانی نداشته باشند، هرچند رابطه علت و معلول همچنان پابرجا می‌ماند.

ماجرا در نسبیت عام عجیب‌تر می‌شود. برخی پاسخ‌های ریاضی معادلات اینشتین، وجود مسیر‌هایی به‌نام «منحنی‌های زمان‌مانند بسته» (Closed Timelike Curve یا CTC) را مجاز می‌دانند؛ مسیر‌هایی که در آنها یک جسم یا پیام، پس از حرکت در فضاـزمان، می‌تواند دوباره به نقطه‌ای از گذشته خود بازگردد. البته ممکن بودن یک پدیده در معادلات، به معنای وجود داشتن آن در طبیعت نیست. بااین‌حال، همین احتمال نظری پرسشی عمیق را پیش روی فیزیکدانان قرار می‌دهد: اگر چنین حلقه‌ای در زمان وجود داشته باشد، قوانین عجیب فیزیک کوانتوم درون آن چگونه عمل خواهند کرد؟

حلقه زمانی پس‌گزیده چیست؟

مدلی که در این پژوهش بررسی می‌شود، «منحنی زمان‌مانند بسته پس‌گزیده» (Postselected Closed Timelike Curve یا P-CTC) نام دارد. این مدل، ایده حلقه زمانی را با دو مفهوم مهم در فیزیک کوانتوم یعنی درهم‌تنیدگی و پس‌گزینی ترکیب می‌کند. در این چارچوب فرضی، اطلاعات کوانتومی می‌تواند وارد مسیری شود که خروجی آن دوباره به نقطه‌ای در گذشته متصل است. برای توصیف ریاضی این فرایند، پژوهشگران از ساختاری شبیه تله‌پورت کوانتومی استفاده می‌کنند؛ با این تفاوت که فقط نتیجه‌ای پذیرفته می‌شود که با کل حلقه زمانی سازگار باشد.

پس‌گزینی به زبان ساده یعنی از میان تمام نتایج ممکن یک آزمایش، تنها نتایجی را نگه داریم که شرط موردنظر ما را برآورده می‌کنند. برای روشن‌تر شدن مفهوم، سکه‌ای را تصور کنید که هزار بار پرتاب می‌شود. پس از پایان آزمایش، تمام دفعاتی را که سکه خط آمده است، کنار می‌گذاریم و فقط نتایج شیر را نگه می‌داریم. در مجموعه باقی‌مانده، همه نتایج شیر هستند، اما این به آن معنا نیست که هنگام پرتاب، نتیجه سکه را کنترل کرده‌ایم؛ ما فقط بعد از مشخص شدن نتایج، مواردی را انتخاب کرده‌ایم که با شرط موردنظرمان سازگار بوده‌اند.

در مدل P-CTC، از میان همه نتایچ ممکن، فقط نتیجه‌ای پذیرفته می‌شود که با گذشته و آینده تناقضی نداشته باشد. یعنی اتفاق‌های داخل حلقه زمانی باید طوری کنار هم قرار بگیرند که یک روایت هماهنگ و بدون تناقض بسازند. به‌همین‌دلیل، هر نتیجه‌ای که باعث ایجاد پارادوکس شود، در این مدل کنار گذاشته می‌شود. درنتیجه، بعضی از تناقض‌های معروف سفر در زمان، دست‌کم در چارچوب ریاضی، اصلاً فرصت رخ‌دادن پیدا نمی‌کنند.

بااین‌حال، میان این مدل نظری و آنچه واقعاً در آزمایشگاه ممکن است، فاصله زیادی وجود دارد. پژوهشگران می‌توانند پس از پایان یک آزمایش، با جدا کردن نتایج مناسب، بقیه را کنار بگذارند، اما نمی‌توانند طبیعت را مجبور کنند که از همان ابتدا فقط نتیجه‌ای خاص و بدون تناقض به‌وجود آورد. مدل P-CTC دقیقاً بر چنین فرضی تکیه دارد. به‌همین‌دلیل، این مدل را نباید راهی عملی برای سفر در زمان دانست. P-CTC در اصل ابزاری نظری است که به فیزیکدانان کمک می‌کند بررسی کنند اگر یک حلقه زمانی سازگار واقعاً وجود داشت، اطلاعات کوانتومی درون آن چگونه منتقل می‌شد و چه رفتاری نشان می‌داد.

پیام چگونه از آینده به گذشته می‌رسد؟

برای درک این ایده، فردی را در گذشته تصور کنید که دستگاهی برای دریافت پیام آماده کرده است و بخشی از یک سامانه کوانتومی را در حافظه‌ای ویژه نگه می‌دارد. سال‌ها بعد، فرستنده‌ای در آینده به همان سامانه دسترسی پیدا و پیام خود را در آن ثبت می‌کند. در مدل فرضی مقاله، این اطلاعات با حرکت از طریق حلقه زمانی در دستگاهی ظاهر می‌شود که پیش‌تر در گذشته آماده شده بود.

بخش عجیب ماجرا اینجاست که فرستنده در آینده شاید از قبل بداند گیرنده در گذشته چه پیامی دریافت کرده، زیرا آن رویداد پیش‌تر در زندگی او اتفاق افتاده است. بنابراین، تصمیمی که در آینده می‌گیرد، بر همان چیزی اثر می‌گذارد که قبلاً در گذشته رخ داده بود. به این ترتیب، یک حلقه علت‌ومعلولی شکل می‌گیرد: پیام دریافت‌شده در گذشته بر تصمیم فرستنده در آینده اثر می‌گذارد و همان تصمیم آینده، پیام گذشته را به‌وجود می‌آورد.

نمونه‌ای شبیه به این ایده را در فیلم میان‌ستاره‌ای می‌بینیم؛ جایی که پدر از آینده، پیامی برای دخترش در گذشته می‌فرستد و همان پیام، به شکل‌گیری آینده‌ای کمک می‌کند که ارسال آن پیام را ممکن می‌سازد. پژوهشگران این سناریوی پیچیده را با زبان نظریه اطلاعات کوانتومی بررسی کرده‌اند تا ببینند چنین پیامی چگونه رمزگذاری و منتقل می‌شود، گیرنده آن را چگونه دریافت می‌کند و این مسیر فرضی چه مقدار اطلاعات را می‌تواند از آینده به گذشته برساند.

این پژوهش راهی عملی برای فرستادن پیام به گذشته ارائه نمی‌دهد، بلکه پرسشی بسیار دقیق مطرح می‌کند: اگر روزی یک کانال فرضی برای ارتباط با گذشته وجود داشته باشد، چه مقدار اطلاعات می‌تواند از آن عبور کند و نویز تا چه اندازه پیام را خراب می‌کند؟

البته این نتیجه به معنای آسان‌تر بودن واقعی ارسال پیام به گذشته نیست. این برتری فقط درون یک مدل ریاضی دیده می‌شود که از ابتدا وجود یک حلقه زمانی پس‌گزیده را فرض می‌کند؛ پدیده‌ای که هنوز در طبیعت مشاهده نشده است. بنابراین، دستاورد اصلی مقاله، ساخت دستگاهی برای تماس با دیروز نیست. پژوهشگران فقط نشان داده‌اند که اگر چنین کانالی وجود داشت، ظرفیت انتقال اطلاعات، میزان خطا و واکنش آن به نویز را چگونه می‌شد با ریاضیات بررسی کرد.

تنها با دیدن نتیجه نمی‌توان میان این دو حالت تفاوت گذاشت. در هر دو حالت، دستگاه پیش از وقوع رویداد اطلاعات درستی در اختیار ما قرار داده است. برای اثبات ارتباط با آینده، درست بودن چند پیش‌بینی کافی نیست؛ باید نشان داده شود که اطلاعات واقعاً از یک فرایند فیزیکی در آینده وارد دستگاه شده‌اند، نه اینکه با محاسبه، احتمال یا حتی انتخاب گزینشی نتایج به‌دست آمده باشند.

در مکانیک کوانتوم، معمولاً نمی‌توان نتیجه دقیق یک اندازه‌گیری را از پیش دانست؛ فقط می‌توان احتمال نتیجه‌های مختلف را محاسبه کرد. پس‌گزینی هم آینده را پیشاپیش در اختیار ما نمی‌گذارد. در یک آزمایش واقعی، ابتدا همه نتایج ثبت و فقط موارد سازگار با شرط موردنظر، انتخاب می‌شوند. بنابراین، این روش نمی‌تواند اطلاعات را قبل از آن‌که در آینده به وجود بیایند، در اختیار ما قرار دهد.

برای نمونه، تصور کنید فردی هزار تاریخ متفاوت را برای وقوع یک رویداد اعلام کند. وقتی رویداد بالاخره رخ داد، همه پیش‌بینی‌های اشتباه را پاک کند و فقط تاریخ درست را نگه دارد. آنچه باقی می‌ماند، شاید شبیه یک پیش‌بینی خارق‌العاده به‌نظر برسد، اما در واقع هیچ اطلاعاتی از آینده دریافت نشده، فقط پاسخ درست پس از معلوم شدن نتیجه، از میان پاسخ‌های متعدد انتخاب شده است. بنابراین، پس‌گزینی به‌تنهایی نه قدرت پیشگویی و نه راهی برای دریافت پیام از آینده می‌دهد.

اهمیت مقاله دقیقاً در همین نقطه قرار دارد. پژوهشگران یکی از عجیب‌ترین ایده‌های فیزیک را به مسئله‌ای روشن و قابل‌محاسبه در نظریه اطلاعات کوانتومی تبدیل کرده‌اند. در فیزیک جدید، اطلاعات تنها محتوای یک پیام نیست، بلکه کمیتی بنیادی است که می‌توان ظرفیت انتقال، میزان خطا و محدودیت‌های آن را محاسبه کرد.

این نوع پژوهش‌ها حتی بدون ساخت یک فناوری واقعی نیز ارزشمند هستندند، زیرا مرز نظریه‌های موجود را آشکار می‌کنند و درک ما از زمان، علیت و اطلاعات را گسترش می‌دهند. ممکن است طبیعت هرگز اجازه ارتباط با گذشته را ندهد. حتی شاید نظریه‌های کامل‌تر در آینده نشان دهند که رابطه میان علت و معلول پیچیده‌تر از تصور امروزی ماست. فعلاً تلفنی برای تماس با دیروز در اختیار نداریم، اما این پژوهش یادآوری می‌کند که زمان هنوز یکی از عمیق‌ترین و ناشناخته‌ترین مسائل فیزیک است.