آیا میتوان به گذشته پیام فرستاد؟ مرز باریک میان فیزیک کوانتوم و سفر در زمان
دیجیاتو: تصور کنید یک روز موبایل شما ناگهان روشن می شود و پیام کوتاهی از آینده روی صفحه نمایش آن ظاهر می شود. پیامی که می تواند مسیر زندگی شما را تغییر دهد. این تصویر هیجان انگیز هنوز هم متعلق به دنیای علمی تخیلی است، اما یک تحقیق جدید در فیزیک کوانتومی دانشمندان را با یک سوال شگفت انگیز و کاملا جدی مواجه کرده است: آیا امکان دارد اطلاعات مسیر یک طرفه زمان را بشکند و از آینده به گذشته بازگردد؟ فیزیکدانان هنوز راهی برای ارسال پیام به دیروز پیدا نکردهاند، اما نشان دادهاند که در شرایط کاملاً فرضی، با استفاده از پدیدهای به نام افق میهن مجدد کوانتومی، میتوان ظرفیت چنین ارتباط عجیبی را به صورت ریاضی محاسبه کرد.
پشت سرفصل های سفر در زمان چه می گذرد؟
انتشار یک مقاله علمی با عنوان «ظرفیت پس علتی یک کانال کوانتومی» (Retrocausal Capacity of a Quantum Channel) کافی بود تا تیترهای شگفت انگیزی مانند «فیزیکدانان راهی برای ارسال پیام به گذشته پیدا کردند» در رسانه ها ظاهر شود. چنین بیانیه ای بدون شک هیجان انگیز است، اما نتیجه واقعی این تحقیق با ساختن یک وسیله ارتباطی برای تماس دیروز فاصله زیادی دارد. در این مقاله، Kaiyuan Jay، Seth Lloyd و Mark Wilde یک سناریوی کاملاً نظری را بررسی میکنند: اگر نوع خاصی از مسیر زمان بسته در طبیعت وجود داشته باشد، چه مقدار اطلاعات میتواند از آینده به گذشته منتقل شود و چه مقدار نویز این ارتباط را مختل میکند؟
نویسندگان در این تحقیق یکی از عجیب ترین ایده های فیزیک یعنی ارتباط در جهت مخالف زمان را از قلمرو علمی تخیلی خارج کرده و به مسئله ای دقیق و قابل محاسبه در نظریه اطلاعات کوانتومی تبدیل کرده اند. آنها ماشین زمان نساخته اند، اما نشان داده اند که اگر چنین کانالی ممکن باشد، ظرفیت، محدودیت ها و رفتار آن در برابر نویز را می توان به زبان ریاضیات توصیف کرد.
چرا علیت در فیزیک مدرن پیچیده است؟
در تجربه روزمره، علت قبل از معلول رخ می دهد. دکمه را فشار می دهیم و سپس چراغ روشن می شود. این نظم ساده، اساس درک ما از زمان و ترتیب رویدادهای جهان است. اما نظریه نسبیت نشان داد که زمان چندان مطلق و یکنواخت نیست. دو ناظر که با سرعت های متفاوت حرکت می کنند ممکن است در مورد همزمانی دو رویداد به توافق نرسند، اگرچه رابطه علت و معلولی باقی می ماند.
داستان در نسبیت عام عجیب تر می شود. برخی از پاسخهای ریاضی معادلات اینشتین وجود مسیرهایی به نام «منحنیهای زمانی بسته» (CTC) را امکانپذیر میسازد. مسیرهایی که در آنها یک شی یا پیام پس از حرکت در فضا-زمان می تواند به نقطه ای از گذشته خود بازگردد. البته امکان وجود یک پدیده در معادلات به معنای وجود آن در طبیعت نیست. با این حال، این امکان نظری یک سوال عمیق برای فیزیکدانان ایجاد می کند: اگر چنین حلقه ای در زمان وجود داشته باشد، قوانین عجیب فیزیک کوانتومی چگونه در آن کار می کنند؟
حلقه رتروگراد چیست؟
مدل مورد بررسی در این تحقیق “P-CTC منحنی بسته پس از افق میهن” یا “P-CTC” نام دارد. این مدل ایده حلقه زمانی را با دو مفهوم مهم در فیزیک کوانتوم یعنی درهم تنیدگی و پس افق میهن ترکیب می کند. در این چارچوب فرضی، اطلاعات کوانتومی می تواند وارد مسیری شود که خروجی آن به نقطه ای در گذشته متصل است. برای توصیف ریاضی این فرآیند، محققان از ساختاری شبیه به تلهپورت کوانتومی استفاده میکنند. با این تفاوت که فقط نتیجه ای پذیرفته می شود که با کل حلقه زمان سازگار باشد.
افق میهن برگشتی به زبان ساده به این معنی است که فقط آن دسته از نتایجی را که شرایط مورد نظر ما را برآورده میکنند در میان تمام نتایج ممکن یک آزمایش حفظ کنیم. برای واضح تر شدن مفهوم، سکه ای را تصور کنید که هزار بار پرتاب شده است. پس از پایان آزمایش، تمام دفعاتی که سکه بالا میآید را کنار میگذاریم و فقط نتایج ضربه را نگه میداریم. در مجموعه باقیمانده، همه نتایج به صورت دم هستند، اما این بدان معنا نیست که ما نتیجه پرتاب سکه را کنترل کرده ایم. ما فقط مواردی را افق میهن کردهایم که پس از مشخص شدن نتایج با شرایط مورد نظرمان سازگار بودند.
در مدل P-CTC، از بین تمامی نتایج ممکن، تنها نتیجه ای پذیرفته می شود که با گذشته و آینده مغایرت نداشته باشد. یعنی وقایع درون حلقه زمانی باید به گونه ای کنار هم قرار گیرد که روایتی منسجم و غیر متضاد بسازد. به همین دلیل، هر نتیجه ای که باعث پارادوکس شود در این مدل کنار گذاشته می شود. در نتیجه، برخی از پارادوکس های معروف سفر در زمان، حداقل در چارچوب ریاضی، هرگز فرصتی برای رخ دادن ندارند.
با این حال، شکاف بزرگی بین این مدل نظری و آنچه واقعاً در آزمایشگاه امکان پذیر است وجود دارد. پس از اتمام یک آزمایش، محققان می توانند نتایج مناسب را جدا کرده و بقیه را کنار بگذارند، اما نمی توانند طبیعت را مجبور کنند که از همان ابتدا فقط یک نتیجه خاص و غیر متناقض ایجاد کند. مدل P-CTC دقیقاً بر چنین فرضی متکی است. بنابراین نباید این مدل را راهی کاربردی برای سفر در زمان دانست. P-CTC اساسا یک ابزار نظری است که به فیزیکدانان کمک می کند تا بررسی کنند که اطلاعات کوانتومی چگونه در یک حلقه زمانی منسجم منتقل می شود و اگر واقعا وجود داشته باشد چگونه رفتار می کند.
چگونه پیام از آینده به گذشته می رسد؟
برای درک این ایده، شخصی را در گذشته تصور کنید که دستگاهی را برای دریافت پیام آماده کرده و بخشی از یک سیستم کوانتومی را در یک حافظه خاص نگه می دارد. سال ها بعد، فرستنده ای در آینده به همان سیستم دسترسی پیدا می کند و پیام خود را در آن ثبت می کند. در مدل فرضی مقاله، این اطلاعات با حرکت در یک حلقه زمانی در دستگاهی که قبلاً در گذشته تهیه شده بود، ظاهر میشود.
بخش عجیب این است که فرستنده در آینده ممکن است از قبل بداند گیرنده در گذشته چه پیامی دریافت کرده است، زیرا آن رویداد در اوایل زندگی او اتفاق افتاده است. بنابراین، تصمیمی که او در آینده می گیرد، بر آنچه قبلاً در گذشته اتفاق افتاده تأثیر می گذارد. به این ترتیب یک حلقه علّی تشکیل می شود: پیام دریافتی در گذشته بر تصمیم فرستنده در آینده تأثیر می گذارد و همان تصمیم آینده پیام گذشته را ایجاد می کند.
نمونه ای شبیه به این ایده را در فیلم Interstellar مشاهده می کنیم. جایی که پدری از آینده برای دخترش در گذشته پیامی می فرستد و آن پیام به شکل گیری آینده کمک می کند که آن پیام را ممکن می کند. محققان این سناریوی پیچیده را با زبان نظریه اطلاعات کوانتومی بررسی کرده اند تا ببینند چنین پیامی چگونه رمزگذاری و منتقل می شود، گیرنده چگونه آن را دریافت می کند و این مسیر فرضی چقدر می تواند از آینده به گذشته منتقل کند.
این تحقیق راه عملی برای ارسال پیام به گذشته ارائه نمی دهد، بلکه یک سوال بسیار خاص را مطرح می کند: اگر یک کانال فرضی برای برقراری ارتباط با گذشته وجود داشته باشد، چه مقدار اطلاعات می تواند از آن عبور کند و چه مقدار نویز پیام را خراب می کند؟
البته این نتیجه به این معنی نیست که در واقع ارسال پیام به گذشته آسانتر است. این برتری را فقط می توان در یک مدل ریاضی مشاهده کرد که وجود یک حلقه زمانی پس افق میهن شده را از ابتدا فرض می کند. پدیده ای که هنوز در طبیعت مشاهده نشده است. بنابراین، دستاورد اصلی مقاله ساختن دستگاهی برای تماس دیروز نیست. محققان تنها نشان دادهاند که در صورت وجود چنین کانالی، ظرفیت انتقال اطلاعات، میزان خطا و پاسخ آن به نویز را میتوان با ریاضیات بررسی کرد.
تنها با دیدن نتیجه نمی توان بین این دو حالت تفاوت قائل شد. در هر دو مورد، دستگاه اطلاعات صحیحی را قبل از رویداد در اختیار ما قرار داده است. برای اثبات ارتباط با آینده، درستی چند پیش بینی کافی نیست; باید نشان داده شود که اطلاعات در واقع از یک فرآیند فیزیکی آینده وارد دستگاه شده است، نه از طریق محاسبه، احتمال یا حتی افق میهن افق میهنی نتایج.
در مکانیک کوانتومی، معمولاً نمی توان نتیجه دقیق اندازه گیری را از قبل مشخص کرد. فقط می توان احتمال نتایج مختلف را محاسبه کرد. به گذشته نگری آینده را از قبل برای ما فراهم نمی کند. در یک آزمایش واقعی، ابتدا همه نتایج ثبت می شوند و فقط آنهایی که با شرایط مورد نظر مطابقت دارند افق میهن می شوند. بنابراین، این روش نمی تواند اطلاعاتی را قبل از وقوع در آینده در اختیار ما قرار دهد.
برای مثال، تصور کنید شخصی هزاران تاریخ مختلف را برای وقوع یک رویداد اعلام می کند. هنگامی که رویداد در نهایت رخ می دهد، تمام پیش بینی های اشتباه را حذف می کند و فقط تاریخ صحیح را نگه می دارد. آنچه باقی می ماند چیزی است که ممکن است یک پیش بینی خارق العاده به نظر برسد، اما در واقع هیچ اطلاعاتی در مورد آینده دریافت نمی شود، فقط پاسخی که از بین چند پاسخ افق میهن شده است، درست پس از مشخص شدن نتیجه. بنابراین، نگاه به گذشته به تنهایی نه قدرت پیش بینی و نه راهی برای دریافت پیام از آینده فراهم می کند.
اهمیت مقاله دقیقا در همین نقطه نهفته است. محققان یکی از عجیب ترین ایده های فیزیک را به یک مسئله واضح و قابل محاسبه در نظریه اطلاعات کوانتومی تبدیل کرده اند. در فیزیک جدید، اطلاعات تنها محتوای یک پیام نیست، بلکه یک کمیت اساسی است که می تواند برای محاسبه ظرفیت انتقال، میزان خطا و محدودیت های آن استفاده شود.
این نوع تحقیق حتی بدون ایجاد یک فناوری واقعی ارزشمند است، زیرا مرزهای نظریههای موجود را آشکار میکند و درک ما از زمان، علیت و اطلاعات را گسترش میدهد. طبیعت ممکن است هرگز اجازه ارتباط با گذشته را ندهد. شاید حتی نظریههای کاملتر در آینده نشان دهند که رابطه بین علت و معلول پیچیدهتر از آن چیزی است که در حال حاضر فکر میکنیم. ما دیروز تلفنی برای تماس نداریم، اما این تحقیق یادآور این است که زمان هنوز یکی از عمیق ترین و ناشناخته ترین مسائل در فیزیک است.
