آیا می‌توان به قبل مطلب فرستاد؟ مرز باریک بین فیزیک کوانتوم و سفر در زمان_آفتاب شرق

فکر کنید یک روز موبایلتان یک دفعه روشن و پیامی مختصر از آینده روی صفحه آن ظاهر شود؛ پیامی که می‌تواند مسیر زندگی‌تان را تحول دهد. این عکس شوق‌انگیز تا این مدت به دنیای علمی‌تخیلی تعلق دارد، اما پژوهشی تازه در فیزیک کوانتوم، پرسشی شگفت‌انگیز و کاملاً جدی را پیش روی دانشمندان گذاشته است: آیا امکان پذیر اطلاعات، مسیر یک‌طرفه زمان را بشکند و از آینده به قبل بازگردد؟ فیزیکدانان تا این مدت راهی برای ارسال مطلب به دیروز اشکار نکرده‌اند، اما نشان داده‌اند که در شرایطی کاملاً فرضی و با منفعت گیری از اتفاق‌ای به‌نام بعد‌گزینی کوانتومی، می‌توان ظرفیت این چنین ربط عجیبی را از نظر ریاضی محاسبه کرد.

پشت تیترهای سفر در زمان چه خبر است؟

انتشار کردن مقاله‌ای علمی با گفتن «ظرفیت بعد‌علّی یک کانال کوانتومی» (Retrocausal Capacity of a Quantum Channel) کافی می بود تا تیترهایی شگفت‌انگیز همانند «فیزیکد‌انان راهی برای فرستادن مطلب به قبل اشکار کردند» در رسانه‌ها ظاهر شوند. این چنین جمله‌ای بی‌تردید شوق‌انگیز است، اما نتیجه واقعی پژوهش با ساخت یک دستگاه ارتباطی برای تماس با دیروز فاصله بسیاری دارد. «کای‌یوان جی»، «ست لوید» و «مارک وایلد» در این مقاله، سناریویی کاملاً نظری را بازدید کرده‌اند: اگر نوع خاصی از مسیر بسته وقتی در طبیعت وجود داشته باشد، چه مقدار اطلاعات می‌تواند از آینده به قبل منتقل شود و نویز تا چه اندازه این ربط را مختل خواهد کرد؟

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

چرا علیت در فیزیک مدرن پیچیده می‌شود؟

در توانایی روزمره، علت پیش از معلول رخ می‌دهد. دکمه را سختی می‌دهیم و سپس چراغ روشن می‌شود. این ترتیب ساده، پایه فهمیدن 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 شدت‌های متفاوت حرکت می‌کنند، درمورد هم‌زمان بودن دو اتفاقات احتمالا نظر یکسانی نداشته باشند، هرچند رابطه علت و معلول هم چنان پابرجا می‌ماند.

ماجرا در نسبیت عام شگفت‌تر می‌شود. برخی جواب‌های ریاضی معادلات اینشتین، وجود مسیرهایی به‌نام «منحنی‌های زمان‌همانند بسته» (Closed Timelike Curve یا CTC) را مجاز می‌دانند؛ مسیرهایی که در آن‌ها یک جسم یا مطلب، بعد از حرکت در فضاـزمان، می‌تواند مجدد به نقطه‌ای از قبل خود بازگردد. یقیناً ممکن بودن یک اتفاق در معادلات، به معنی وجود داشتن آن در طبیعت نیست. بااین‌حال، همین گمان نظری پرسشی عمیق را پیش روی فیزیکدانان قرار می‌دهد: اگر این چنین حلقه‌ای در زمان وجود داشته باشد، قوانین شگفت فیزیک کوانتوم درون آن چطور عمل خواهند کرد؟

حلقه وقتی بعد‌گزیده چیست؟

مدلی که در این پژوهش بازدید می‌شود، «منحنی زمان‌همانند بسته بعد‌گزیده» (Postselected Closed Timelike Curve یا P-CTC) نام دارد. این مدل، ایده حلقه وقتی را با دو مفهوم مهم در فیزیک کوانتوم یعنی درهم‌تنیدگی و بعد‌گزینی ترکیب می‌کند. در این چارچوب فرضی، اطلاعات کوانتومی می‌تواند داخل مسیری شود که خروجی آن مجدد به نقطه‌ای در قبل متصل است. برای توصیف ریاضی این فرایند، پژوهشگران از ساختاری همانند تله‌پورت کوانتومی منفعت گیری می‌کنند؛ با این تفاوت که فقط نتیجه‌ای پذیرفته می‌شود که با کل حلقه وقتی سازگار باشد.

بعد‌گزینی به زبان ساده یعنی از بین همه نتایج ممکن یک آزمایش، تنها نتایجی را نگه داریم که شرط موردنظر ما را برآورده می‌کنند. برای روشن‌تر شدن مفهوم، سکه‌ای را فکر کنید که هزار بار پرتاب می‌شود. بعد از آخر آزمایش، همه دفعاتی را که سکه خط آمده است، کنار می‌گذاریم و فقط نتایج شیر را نگه می‌داریم. در مجموعه باقی‌مانده، همه نتایج شیر می باشند، اما این به آن معنی نیست که زمان پرتاب، نتیجه سکه را کنترل کرده‌ایم؛ ما فقط سپس از اشکار شدن نتایج، مواردی را انتخاب کرده‌ایم که با شرط موردنظرمان سازگار بوده‌اند.

در مدل P-CTC، از بین همه نتایچ ممکن، فقط نتیجه‌ای پذیرفته می‌شود که با قبل و آینده تناقضی نداشته باشد. یعنی اتفاق‌های داخل حلقه وقتی باید طوری کنار هم قرار بگیرند که یک روایت هماهنگ و بدون تناقض بسازند. به‌همین‌علت، هر نتیجه‌ای که علتایجاد پارادوکس شود، در این مدل کنار گذاشته می‌شود. درنتیجه، برخی از تناقض‌های معروف سفر در زمان، دست‌کم در چارچوب ریاضی، اصلاً زمان رخ‌دادن اشکار نمی‌کنند.

بااین‌حال، بین این مدل نظری و آنچه واقعاً در آزمایشگاه امکان پذیر، فاصله بسیاری وجود دارد. پژوهشگران می‌توانند بعد از آخر یک آزمایش، با جدا کردن نتایج مناسب، بقیه را کنار بگذارند، اما نمی توانند طبیعت را ناچار کنند که از همان ابتدا فقط نتیجه‌ای خاص و بدون تناقض به‌وجود آورد. مدل P-CTC دقیقاً بر این چنین فرضی تکیه دارد. به‌همین‌علت، این مدل را نباید راهی عملی برای سفر در زمان دانست. P-CTC در اصل ابزاری نظری است که به فیزیکدانان پشتیبانی می‌کند بازدید کنند اگر یک حلقه وقتی سازگار واقعاً وجود داشت، اطلاعات کوانتومی درون آن چطور منتقل می‌شد و چه رفتاری نشان می‌داد.

مطلب چطور از آینده به قبل می‌رسد؟

برای فهمیدن این ایده، فردی را در قبل فکر کنید که دستگاهی برای دریافت مطلب آماده کرده است و بخشی از یک سامانه کوانتومی را در حافظه‌ای اختصاصی نگه می‌دارد. سال‌ها سپس، فرستنده‌ای در آینده به همان سامانه دسترسی اشکار و مطلب خود را در آن ثبت می‌کند. در مدل فرضی مقاله، این اطلاعات با حرکت از طریق حلقه وقتی در دستگاهی ظاهر می‌شود که پیش‌تر در قبل آماده شده می بود.

قسمت شگفت ماجرا اینجاست که فرستنده در آینده احتمالا از قبل بداند گیرنده در قبل چه پیامی دریافت کرده، چون آن اتفاقات پیش‌تر در زندگی او اتفاق افتاده است. به این علت، تصمیمی که در آینده می‌گیرد، بر همان چیزی تاثییر می‌گذارد که قبلاً در قبل رخ داده می بود. به این ترتیب، یک حلقه علت‌ومعلولی شکل می‌گیرد: مطلب دریافت‌شده در قبل بر تصمیم فرستنده در آینده تاثییر می‌گذارد و همان تصمیم آینده، مطلب قبل را به‌وجود می‌آورد.

مثالای همانند به این ایده را در فیلم بین‌ستاره‌ای می‌بینیم؛ جایی که پدر از آینده، پیامی برای دخترش در قبل می‌فرستد و همان مطلب، به شکل‌گیری آینده‌ای پشتیبانی می‌کند که ارسال آن مطلب را ممکن می‌سازد. پژوهشگران این سناریوی پیچیده را با زبان نظریه اطلاعات کوانتومی بازدید کرده‌اند تا ببینند این چنین پیامی چطور رمزگذاری و منتقل می‌شود، گیرنده آن را چطور دریافت می‌کند و این مسیر فرضی چه مقدار اطلاعات را می‌تواند از آینده به قبل رساند.

دستاورد واقعی پژوهش: سنجش ظرفیت یک کانال فرضی

این پژوهش راهی عملی برای فرستادن مطلب به قبل اراعه نمی‌دهد، بلکه پرسشی زیاد دقیق نقل می‌کند: اگر روزی یک کانال فرضی برای ربط با قبل وجود داشته باشد، چه مقدار اطلاعات می‌تواند از آن عبور کند و نویز تا چه اندازه مطلب را خراب می‌کند؟

پژوهشگران برای جواب به این سوال، ظرفیت کانال را محاسبه کرده‌اند. ظرفیت یعنی بیشترین مقدار اطلاعاتی که می‌توان با خطایی قابل‌کنترل منتقل کرد. این اطلاعات امکان پذیر به شکل بیت‌های معمولی یا کیوبیت‌های کوانتومی باشد. آن‌ها بازدید کرده‌اند که کانال در یک بار منفعت گیری و این چنین بعد از منفعت گیری‌های مکرر، چه عملکردی خواهد داشت.

نویز یکی از با اهمیت ترین مشکلات هر ارتباطی است. در یک شبکه معمولی امکان پذیر بخشی از داده‌ها تحول کنند یا از بین بروند. در سامانه‌های کوانتومی نیز محیط می‌تواند حالت ظریف کیوبیت‌ها را به‌هم بزند. نتیجه شگفت مقاله این است که در مدل P-CTC، حلقه وقتی و بعد‌گزینی می‌توانند بخشی از تاثییر نویز را افت دهند، چون نتیجه دریافت‌شده در قبل می‌تواند بر شیوه ارسال مطلب در آینده تاثییر بگذارد و نوعی بازخورد بین قبل و آینده بسازد.

یقیناً این نتیجه به معنی آسان‌تر بودن واقعی ارسال مطلب به قبل نیست. این برتری فقط درون یک مدل ریاضی دیده می‌شود که از ابتدا وجود یک حلقه وقتی بعد‌گزیده را فکر می‌کند؛ اتفاق‌ای که تا این مدت در طبیعت مشاهده نشده است. به این علت، دستاورد مهم مقاله، ساخت دستگاهی برای تماس با دیروز نیست. پژوهشگران فقط نشان داده‌اند که اگر این چنین کانالی وجود داشت، ظرفیت انتقال اطلاعات، مقدار اشتباه و عکس العمل آن به نویز را چطور می‌شد با ریاضیات بازدید کرد.

مطلب از آینده یا فقط یک پیش‌بینی دقیق؟

فکر کنید امروز، دستگاهی رویدادی را برای هفته آینده اظهار کند و پیش‌بینی آن کاملاً درست از آب درمی‌آید. آیا دستگاه واقعاً اطلاعاتی از آینده دریافت کرده یا فقط توانسته است با دقتی خیره‌کننده آینده را پیش‌بینی کند؟

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

در مکانیک کوانتوم، طبق معمولً نمی‌توان نتیجه دقیق یک اندازه‌گیری را از پیش دانست؛ فقط می‌توان گمان نتیجه‌های گوناگون را محاسبه کرد. بعد‌گزینی هم آینده را پیشاپیش در اختیار ما نمی‌گذارد. در یک آزمایش واقعی، ابتدا همه نتایج ثبت و فقط موارد سازگار با شرط موردنظر، انتخاب خواهد شد. به این علت، این روش نمی‌تواند اطلاعات را قبل از آن‌که در آینده به وجود همراه شوند، در اختیار ما قرار دهد.

برای نمونه، فکر کنید فردی هزار تاریخ متفاوت را برای وقوع یک اتفاقات اظهار کند. هنگامی اتفاقات بالاخره رقم خورد، همه پیش‌بینی‌های نادرست را پاک کند و فقط تاریخ درست را نگه دارد. آنچه باقی می‌ماند، احتمالا همانند یک پیش‌بینی شگفت انگیز به‌نظر برسد، اما در واقع هیچ اطلاعاتی از آینده دریافت نشده، فقط جواب درست بعد از معلوم شدن نتیجه، از بین جواب‌های متعدد انتخاب شده است. به این علت، بعد‌گزینی به‌تنهایی نه قوت پیشگویی و نه راهی برای دریافت مطلب از آینده می‌دهد.

نتیجه‌گیری: تا این مدت نمی‌توان با دیروز تماس گرفت

این پژوهش ماشین زمان نساخته است و راهی عملی برای فرستادن مطلب به قبل اراعه نمی‌دهد. اکنون هیچ شواهد تجربی نشان نمی‌دهد که بتوان اطلاعاتی کنترل‌شده را از آینده به قبل منتقل کرد. آنچه مقاله بازدید می‌کند، یک سناریوی کاملاً نظری است؛ اگر نوعی منحنی زمان‌همانند بسته بعد‌گزیده یا P-CTC وجود داشته باشد، چه مقدار اطلاعات می‌تواند از آن عبور کند، مطلب با چه مقدار اشتباه منتقل می‌شود و نویز چه اثری بر این فرایند دارد.

اهمیت مقاله دقیقاً در همین نقطه قرار دارد. پژوهشگران یکی از شگفت‌ترین ایده‌های فیزیک را به قضیه‌ای روشن و قابل‌محاسبه در نظریه اطلاعات کوانتومی تبدیل کرده‌اند. در فیزیک تازه، اطلاعات تنها محتوای یک مطلب نیست، بلکه کمیتی بنیادی است که می‌توان ظرفیت انتقال، مقدار اشتباه و محدودیت‌های آن را محاسبه کرد.

این نوع پژوهش‌ها حتی بدون ساخت یک فناوری واقعی نیز مورد قیمت هستندند، چون مرز نظریه‌های حاضر را آشکار می‌کنند و فهمیدن ما از زمان، علیت و اطلاعات را گسترش خواهند داد. امکان پذیر طبیعت هیچ زمان اجازه ربط با قبل را ندهد. حتی احتمالا نظریه‌های کامل‌تر در آینده نشان دهند که رابطه بین علت و معلول پیچیده‌تر از فکر امروزی ماست. فعلاً تلفنی برای تماس با دیروز در اختیار نداریم، اما این پژوهش یادآوری می‌کند که زمان تا این مدت یکی از عمیق‌ترین و ناشناخته‌ترین مسائل فیزیک است.