یک پژوهش نظری جدید نشان می‌دهد در ساده‌ترین مدل ماشین زمان کوانتومی، امکان معکوس‌سازی مؤثر زمان تنها حدود یک فمتوثانیه، معادل یک میلیون‌میلیاردیم ثانیه، وجود دارد؛ محدودیتی که به برهم‌کنش سیستم کوانتومی با محیط اطراف آن مربوط است.
به گزارش سیناپرس، آیا زمان می‌تواند به عقب حرکت کند؟ اگرچه تجربه روزمره ما از زمان، حرکتی یک‌طرفه از گذشته به آینده است، قوانین فیزیک در سطح کوانتومی امکان‌های متفاوتی را مطرح می‌کنند. اکنون دو فیزیک‌دان با بررسی ریاضی یک مدل نظری از ماشین زمان کوانتومی، به محدودیتی رسیده‌اند که نشان می‌دهد محیط اطراف سیستم می‌تواند مانع معکوس شدن زمان شود.
یاکیر آهارونوف از دانشگاه تل‌آویو و آوشالوم الیتزور از مؤسسه تحقیقات پیشرفته اسرائیل، در این پژوهش چهار پیکربندی متفاوت از یک ماشین زمان کوانتومی را بررسی کرده‌اند. نتایج این مطالعه در قالب مقاله‌ای پیش‌چاپ در پایگاه arXiv منتشر شده است.
ماشین زمان کوانتومی چگونه کار می‌کند؟
ایده اصلی این پژوهش به ویژگی عجیبی در مکانیک کوانتومی به نام «برهم‌نهی» مربوط می‌شود؛ حالتی که در آن یک سیستم می‌تواند هم‌زمان ترکیبی از چند وضعیت ممکن را داشته باشد.
برای مثال، تصور کنید ساعتی کوانتومی در دو موقعیت متفاوت از یک میدان گرانشی قرار گرفته باشد. بر اساس نظریه نسبیت، زمان در میدان گرانشی قوی‌تر آهسته‌تر می‌گذرد؛ بنابراین دو وضعیت ساعت، تجربه زمانی متفاوتی خواهند داشت.
در مکانیک کوانتومی، این دو وضعیت می‌توانند با یکدیگر تداخل کنند. پژوهشگران با انتخاب دقیق یکی از نتایج این تداخل، فرایندی موسوم به «پس‌گزینی» (Post-selection)، می‌توانند شرایطی ایجاد کنند که ساعت، زمان متفاوتی از آنچه در هر یک از دو مسیر تجربه کرده است، نشان دهد.
این اختلاف حتی می‌تواند به شکلی باشد که ساعت گویی زمانی منفی را تجربه کرده و به عقب حرکت کرده است.
واپاشی اتمی؛ راهی برای بررسی معکوس شدن زمان
پژوهشگران برای بررسی امکان معکوس شدن زمان، از پدیده واپاشی اتمی استفاده کردند. هنگامی که یک اتم انرژی جذب می‌کند، الکترون آن می‌تواند به سطح انرژی بالاتری منتقل شود. این وضعیت ناپایدار است و الکترون معمولاً با آزاد کردن انرژی به سطح پایین‌تر بازمی‌گردد؛ فرایندی که می‌تواند با انتشار یک فوتون همراه باشد.
در مدل پیشنهادی، تصور می‌شود از میان ۱۰۰ اتم برانگیخته، پس از مدتی ۲۰ اتم انرژی خود را آزاد کرده باشند و ۸۰ اتم همچنان در حالت برانگیخته باقی مانده باشند.
اگر پس از عبور این مجموعه از ماشین زمان نظری، تعداد اتم‌های برانگیخته دوباره افزایش یابد، می‌توان آن را نشانه‌ای از معکوس شدن بخشی از فرایند واپاشی در نظر گرفت.
برای بررسی این وضعیت، پژوهشگران محفظه‌ای کاملاً بسته را در نظر گرفتند که اتم‌ها، نور منتشرشده از آن‌ها و دیواره‌های جاذب نور را در خود جای می‌دهد. به این ترتیب، کل سیستم همراه با فوتون‌های آزادشده بررسی می‌شود.
چرا معکوس شدن زمان فقط یک فمتوثانیه دوام دارد؟
محاسبات پژوهشگران نشان می‌دهد حتی در یک محفظه بسته نیز اتم‌ها از محیط اطراف خود جدا نیستند. هنگام انتشار نور، برهم‌کنش با میدان الکترومغناطیسی محیط، اطلاعاتی از آنچه اتفاق افتاده در محیط باقی می‌گذارد.
برای آنکه فرایند واپاشی به‌طور مؤثر معکوس شود، این اطلاعات نباید آن‌قدر در محیط پخش شوند که امکان تداخل کوانتومی میان دو مسیر از بین برود.
در ساده‌ترین مدل بررسی‌شده، این فرصت تنها حدود یک فمتوثانیه، معادل \(۱۰^{-۱۵}\) ثانیه، دوام دارد. پس از آن، محیط اطلاعات زیادی از فرایند انتشار نور در اختیار دارد و بازگرداندن وضعیت قبلی اتم‌ها با این مدل ساده امکان‌پذیر نیست.
به بیان دیگر، محدودیت اصلی از خود زمان ناشی نمی‌شود، بلکه به میزان اطلاعاتی مربوط است که محیط درباره رویدادهای کوانتومی ثبت کرده است.
پژوهشگران می‌گویند مدل‌های پیچیده‌تر ممکن است امکان معکوس‌سازی بازه‌های زمانی طولانی‌تری را فراهم کنند، اما به تعداد بسیار بیشتری از شاخه‌های کوانتومی و احتمال موفقیت بسیار کمتری نیاز دارند.
آیا معکوس شدن زمان قانون دوم ترمودینامیک را نقض می‌کند؟
یکی از پرسش‌های مهم درباره این نظریه، ارتباط آن با قانون دوم ترمودینامیک است؛ قانونی که بر اساس آن، آنتروپی کل یک سیستم منزوی کاهش نمی‌یابد و فرایندهای طبیعی معمولاً در جهت افزایش بی‌نظمی پیش می‌روند.
پژوهشگران توضیح می‌دهند که مدل پیشنهادی لزوماً این قانون را نقض نمی‌کند؛ زیرا معکوس شدن ظاهری زمان تنها در تعداد بسیار محدودی از نتایج ممکن و از طریق فرایند پس‌گزینی رخ می‌دهد. هنگامی که تمام نتایج احتمالی در نظر گرفته شوند، قانون دوم ترمودینامیک همچنان برقرار است.
این پژوهش هنوز یک مدل نظری و محاسباتی است و به معنای ساخت ماشین زمان یا امکان بازگشت واقعی انسان و اشیا به گذشته نیست.
بااین‌حال، نتایج آن می‌تواند به درک بهتر یکی از پرسش‌های بنیادی فیزیک کمک کند: چرا با وجود آنکه بسیاری از معادلات بنیادی فیزیک از نظر ریاضی در هر دو جهت زمانی قابل بیان هستند، جهان واقعی را همواره در مسیری یک‌طرفه از گذشته به آینده تجربه می‌کنیم؟؟