نور می تواند به زمان گذشته سفر کند؟

نور نه تنها در فضا، بلکه در زمان نیز قابل انعکاس است و محققانی که در حال کاوش درباره بازتاب‌های زمانی هستند، با اثرات شگفت‌انگیز و حیرت‌آوری روبرو شده‌اند.

آیا می‌توان زمان را به عقب برگرداند؟ اگر این سوال را از یک فیزیکدان باهوش بپرسید، پاسخ او این خواهد بود:” بستگی دارد”.

ایده‌های سفر در زمان و بازگشت به عقب فراوانند؛ اما معمولا شامل پارادوکس‌های زیادی هستند و بر ساختارهای نظری عجیب و غریبی مثل کرم‌چاله‌ها (که ممکن است در واقعیت وجود نداشته باشند) تکیه دارند. در هر حال وقتی صحبت از برگرداندن زمان به عقب مطرح می‌شود (مثل بحث هم زدن تخم مرغ خام و پس از آن جدا کردن سفیده و زرده از هم)، یک زیر شاخه غنی و در حال رشد از فیزیک موجی نشان می‌دهد که بازگرداندن زمان امکان پذیر است.

بازگرداندن زمان، با یکی از اساسی‌ترین اصول فیزیک، یعنی قانون دوم ترمودینامیک در تضاد است. این اصل بیان می‌کند که بی نظمی (آنتروپی) همیشه در حال افزایش است. این لغزش اجتناب‌ناپذیر به سمت آشفتگی، همان چیزی است که جدا کردن زرده و سفیده بعد از هم زدن را به طرز غیرممکنی سخت می‌کند و آن چیزی است که پیکان زمان را در سفری یک طرفه در تجربیات روزمره‌مان به حرکت درمی‌آورد. گرچه تا به امروز هیچ راهی برای جدا کردن زرده و سفیده تخم مرغ بعد از هم زدن آن وجود ندارد، اما محققان موفق شده‌اند تا در سناریوهای خاص، با دقتی کنترل شده و در سیستم‌های نسبتا ساده، زمان را به عقب بازگردانند.

ترفند این کار در ایجاد نوع خاصی از بازتاب نهفته است. در ابتدا، یک انعکاس فضایی منظم را تصور کنید؛ مثل چیزی که در یک آئینه شیشه‌ای با پشت نقره‌ای می‌بینید. بازتاب در اینجا رخ می‌دهد؛ چون نقره یک وسیله انتقال بسیار متفاوت از هوا، برای یک پرتو نور است. تغییر به یک باره در خواص نوری، باعث برگشت نور خواهد شد؛ دقیقا مثل برخورد توپ پینگ پونگ به دیوار. حالا تصور کنید که به جای تغییر در نقاط خاصی از فضا، خواص نوری در تمام طول مسیر پرتو در یک لحظه خاص از زمان به شدت تغییر کند. این بار نور به جای پس زده شدن در فضا، در زمان پس می‌کشد و دقیقا مسیر رفته را بازمی‌گردد. مثل توپ پینگ پونگی که به سمت بازیکنی که آخرین بار به آن ضربه زده، برمی‌گردد. این دقیقا” انعکاس زمان” است.

دهه‌هاست که انعکاس زمان، نظریه‌پردازان را مجذوب خود کرده؛ اما باید مدنظر داشت که تغییر سریع و کافی خواص نوری یک ماده، کار ساده‌ای نیست. حالا محققان دانشگاه سیتی نیویورک پیشرفت بزرگی را در این مسیر داشته‌اند: ایجاد انعکاس‌های زمانی مبتنی بر نور.

برای انجام این کار، فیزیکدانی به نام آندره آ الو و همکارانش، یک فراماده با ویژگی‌های نوری قابل تنظیمی ابداع کردند که می‌توانستند آن را در کسری از نانوثانیه تغییر داده وسرعت عبور نور را نصف یا دو برابر کند. فرامواد، دارای خواصی هستند که توسط ساختار آنها تعیین می‌شود. بسیاری از آنها متشکل از آرایه‌هایی از میله‌ها یا حلقه‌های میکروسکوپی هستند که برای تعامل و دستکاری نور می‌توان آنها را به روش‌هایی تنظیم کرد که در مورد هیچ ماده طبیعی‌ای امکان‌پذیر نیست. الو در این رابطه گفته که این حسابی آنها را شگفت زده کرده:« الان ما متوجه شده‌ایم که انعکاس‌های زمانی می‌تواند بسیار غنی‌تر از چیزی باشد که فکرش را می‌کردیم. دلیلش هم روشی است که آن را اجرا می‌کنیم.»

این ویژگی‌های ساختاری در طبیعت نیز یافت می‌شوند که از این جمله می‌توان به رنگ‌های رنگین‌کمانی در بال‌های پروانه اشاره کرد. محققان با بررسی چیزهای باقیمانده از طبیعت، ساختارهایی را مهندسی کردند که می‌توانند اجسام را نامرئی کرده و کاربرد اینها در موارد مختلفی از آنتن‌های بهتر و محافظت در برابر زلزله گرفته تا ساخت کامپیوترهایی برپایه نور کاربردی خواهند بود. حالا محققان در حال مبادله ابعاد فضایی این ویژگی‌های ساختاری با ابعاد زمانی هستند. نادر انقطاع، استاد دانشگاه پنسیلوانیا و یکی از پیشگامان فیزیک موج مدوله شده با فرامواد گفت:« ما فرامواد را برای انجام کارهای غیرعادی طراحی می‌کنیم و این یکی از آن موارد غیرعادی است.»

موج‌هایی که عجیب می‌شوند

دستگاهی که الو و همکارانش آن را توسعه دادند، یک موج‌بر است که نور فرکانس مایکروویو را کانالیزه می‌کند. آرایه‌ای با فاصله‌ای متراکم از سوئیچ‌هایی در امتداد موج‌بر ، آن را به مدارهای خازن متصل می‌کند که به صورت دینامیک موادی را برای برخورد نور اضافه یا حذف کرده و قابلیت این را دارد تا ویژگی‌های موثر موج‌بر را تغییر دهد. الو در این باره گفته:« در حال جمع یا کم کردن مواد مختلف هستیم و به همین دلیل است که این روند می‌تواند سریع طی شود.»

انعکاس زمان با طیفی از اثرات ضد شهودی همراه است که از نظر تئوری پیش‌بینی شده ولی هرگز با نور نشان داده نشده‌اند. مثلا آنچه در ابتدای سیگنال اصلی قرار دارد، در انتهای سیگنال بازتاب نخواهد شد. این وضعیتی شبیه به نگاه کردن به خودتان در آئینه و دیدن پشت سرتان است. به علاوه، در شرایطی که بازتاب استاندارد، نحوه عبور نور از فضا را تغییر می‌دهد، بازتاب زمانی، اجزای زمانی نور یعنی فرکانسهای آن را تغییر خواهد داد. در نتیجه در نمای بازتابی زمان، پشت سر شما نیز رنگ متفاوتی خواهد داشت.

الو و همکارانش هردوی این اثرات را در دستگاه مشاهده کردند. آنها امیدوارند که بتوانند در پردازش سیگنال و ارتباطات به نتایج بهتری برسند. مواردی که برای عملکرد مثلا در تلفن هوشمندتان که به اثراتی مثل تغییر فرکانس‌ها اتکا دارند، حیاتی به نظر می‌رسند.

چند ماه بعد از ساخت و توسعه این دستگاه، الو و همکارانش، هنگامی که سعی می‌کردند تا با شلیک دو پرتو نور به یکدیگر در داخل دستگاه، یک بازتاب زمانی در موج‌بر ایجاد کنند، رفتارهای شگفت‌انگیرتری را مشاهده کردند. پرتوهای نوری که معمولا با هم برخورد می‌کنند، مانند امواج رفتار کرده و الگوهای تداخلی‌ای ایجاد می‌کنند که در آن، قله‌ها و فرورفتگی‌ها روی هم قرار گرفته یا مثل امواج روی آب جمع یا خنثی می‌شوند. اما در حقیقت نور می‌تواند به عنوان یک پرتابه نقطه مانند، یک فوتون و همچنین یک میدان نوسانی موج مانند عمل کند؛ یعنی دارای دوگانگی موج-ذره است. با این وجود، عموما یک سناریوی خاص، به شکلی مشخص، فقط یک رفتار خاص را به همراه دارد. طبق تجربیات الو و همکارانش ، زمانی که بازتاب زمانی رخ می‌دهد، به نظر می‌رسد که اتفاق دیگری، رخ می‌دهد.

محققان با کنترل کردن اینکه آیا امواج در حال برخورد، در هنگام وقوع بازتاب زمانی، به شکلی سازنده یا مخرب تداخل دارند و اینکه آیا آنها به هم اضافه یا کم می‌شوند، به این اثر عجیب دست یافتند. آنها با کنترل لحظه خاصی که بازتاب زمانی رخ می‌دهد، نشان دادند که این دو موج، با همان دامنه موجی که با آن شروع شده‌اند (مثل برخورد توپ‌های بیلیارد)، از یکدیگر منعکس می‌شوند. از سوی دیگر، ممکن است در ادامه انرژی آنها مثل پس زدن توپ‌های اسفنجی کمتر شود و یا انرژی به دست بیاورند؛ همانطور که در مورد توپ‌هایی که در دو طرف یک فنر کشیده شده دیده می‌شود. الو در این رابطه گفت:« ما می‌توانیم این فعل و انفعالات را در صرفه‌جویی در انرژی، تامین انرژی یا سرکوب انرژی ایجاد کنیم.» او در ادامه به این نکته اشاره کرد که چطور بازتاب زمانی می‌تواند به منزله یک دکمه کنترلی جدید برای برنامه‌هایی که شامل تبدیل انرژی و شکل‌دهی پالس هستند که در آن شکل، موج‌ها برای بهینه‌سازی سیگنال پالس تغییر می‌کنند، ارائه دهد.

از هم گسیختگی فیزیک

افرادی که به قوانین فیزیک آشنا هستند، می‌توانند با اطمینان بگویند که دستگاه الو، اصول ترمودینامیک را زیر پا نمی‌گذارد. به عنوان مثال موج‌بر هم انرژی‌ای ایجاد نکرده و یا از بین نمی‌برد و تنها انرژی را به شکلی موثر از شکلی به شکل دیگر تغییر می‌دهد.(انرژی به دست آمده یا از دست رفته توسط امواج، از چیزی می‌آید که برای تغییر ویژگی‌های فراماده اضافه یا کم می‌شود. اما در مورد افزایش غیرقابل اجتناب بی‌نظمی (آنتروپی) در طول زمان، همانطور که در ترمودینامیک تعریف می‌شود، چه خواهد شد؟ چطور بازتاب زمانی یک پرتو نور، معادل تفکیک سفیده و زرده تخم‌مرغ، بعد از هم زدن آن خواهد شد؟

جان پندری، فیزیکدان امپریال کالج لندن که در مورد فراماده کار می‌کند، دراین باره توضیح داده که هر چقدر هم معکوس کردن یک پرتو نور عجیب به نظر برسد، ولی کاملا با اصول ترمودینامیکی سازگار خواهد بود. ظهور بی‌نظمی (آنتروپی)، نتیجه از دست رفتن اطلاعات است. مثلا بعد از آنکه دانش‌آموزان یک مدرسه را به ترتیب حروف الفبا به صف کنید، همه به راحتی می‌توانند کودکان را در داخل صف پیدا کنند. اما وقتی آنها را در حیاط مدرسه رها کرده، باید با روش‌های متعدد دیگری کودکان را مرتب کرد. این دقیقا مشابه افزایش بی‌نظمی و آنتروپی است و در نتیجه اطلاعاتی که قبلا برای مکان‌یابی هر کودک داشتید، در شرایط رها کردنشان در حیاط بازی، به درد نمی‌خورد. پندری ادامه داد:« اگر زمان برگشت‌پذیر باشد، این بدان معناست که شما بی‌نظمی و آنتروپی ایجاد نمی‌کنید؛ حتی اگر به نظر برسد که در حال ایجاد آن هستید.» به مثال حیاط مدرسه و بچه ها برگردیم، گرچه بچه‌ها در حیاط مدرسه می‌دوند و بازی می‌کنند ولی می‌دانند که وقتی زنگ تفریح تمام شد، به چه ترتیب باید صف کشیده و به کلاس درس برگردند. در نتیجه هیچ بی‌نظمی‌ای ایجاد نشده و اطلاعاتی از دست نرفته است.

بازتاب فراتر از تنها پدیده نوری‌ای است که در حوزه زمان دریافت می‌شود. در ماه آوریل پندری و تیمی از محققان، از جمله ریکاردو ساپینزا از امپریال کالج لندن، یک آنالوگ حوزه زمان از آزمایش کلاسیک قرن‌ها پیش را به نمایش گذاشتند که نقشی کلیدی در ایجاد دوگانگی موج-ذره نور داشت. این کار اولین بار در سال ۱۸۰۱ توسط فیزیکدانی به نام توماس یانگ انجام شد و آزمایش دوشکاف شواهد انکارناپذیری از ماهیت موج مانند نور را ارائه کرد که دانشمندان در مواجهه با شواهد بعدی برای نور به عنوان یک ذره، تنها توانستند به این نتیجه برسند که هر دو توصیف کاربردی هستند.

طبق گفته دکتر انقطاع، آنچه این تجربیات را هیجان‌انگیز می‌کند،آزمایش‌هایی است که زمان و مکان در جلوه‌های نوری مبادله می‌کنند. او در این رابطه گفت:«اینها ویژگی‌های هیجان‌انگیز و جدیدی هستند که می‌توانیم آنها در فیزیک برهم کنش نور- ماده پیدا کنیم و به وفور هم وجود دارند.»

پندری توضیح داده که کاوش‌های زمانی او و همکارانش درمورد فرامواد، چطور چیزهای بسیار عجیبی را آشکار کرده؛ از جمله چیزی که آنها آن را کمپرسور فوتونیک نامیده اند. کمپرسور فوتونیک پندری یک فراماده است که مناطقی با خواص نوری مختلفی دارد که بر سرعت انتشار نور تاثیرگذار هستند. این نوارها قابل تنظیم‌ هستند و نوعی ویژگی “تغییرگریز” را تشکیل می‌دهند. زمانی که این متاگراسیون (متاگریزی) در کنار نور از طریق فراماده حرکت می‌کند، می‌تواند فوتون‌ها را به دام انداخته و آنها را به شکل موثری فشرده کند. به علاوه تحقیقات بیشتر نشان داده که این نوع کمپرسور فوتونیک ویژگی‌های مشترکی با سیاه‌چاله‌ها دارد و به طور بالقوه یک آنالوگ در مقیاس آزمایشگاهی قابل کنترل‌تری برای مطالعه آن اجرام نجومی شدید ارائه می‌کند. با گشوده شدن یک بعد زمانی کاملا جدید برای فرامواد، آنالوگ‌های سیاه‌چاله‌های فشرده کننده فوتون تنها یک راه از پدیده‌های عجیبی است که می‌توان در آن به جستجو پرداخت و در این بین احتمالات زیادی مطرح است.