قانون دوم ترمودینامیک به چالش کشیده شد؛ آیا سفر در زمان امکان پذیر است؟

محققانی از سراسر دنیا شامل موسسات علمی مسکو، آمریکا و سوئیس چندی پیش در آزمایشی مشترک تلاش کردند وضعیت یک کامپیوتر کوانتومی را به اندازه کسری از ثانیه به عقب بازگردانند. آنها همچنین در این آزمایش احتمال سفر یک الکترون درون فضای خالی به گذشته نزدیک را بررسی کردند.

آن تحقیق در واقع بخشی از مجموعه مقالاتی بود که احتمال نقض قانون دوم ترمودینامیک را بررسی می کرد. علاوه بر این دانشمندان تلاش کردند از آن طریق، این گفته که پیکان زمان صرفا از گذشته به آینده کشیده می شود را مورد ارزیابی قرار دهند.

گوردی لسوویک رئیس لابراتوار فیزیک تکنولوژی اطلاعات کوانتوم در موسسه فیزیک مسکو و مولف ارشد این مقاله در همین رابطه گفت:

ما به شکلی مصنوعی وضعیتی را ایجاد کردیم که در جهتی مخالف پیکان ترمودینامیکی زمان بسط می یافت.

تمایز آینده از گذشته

اغلب قوانین فیزیک در واقع هیچ تمایزی میان آینده و گذشته قائل نیستند. برای مثال اگر معادله ای ریباندینگ یا بازگشت دو توپ بیلیارد را توصیف کند، میتوان آن معادله را برای همان رویداد در جهت معکوس نیز به کار برد و اگر از این رویدادها فیلم بگیرید نمی توانید از روی فیلم بگویید که جهت واقعی بازی طبق چیزی که اتفاق افتاده چه بوده است.

در واقع هر دو رویداد (چه در جهت واقعی و چه عکس) عملیاتی هستند. به این ترتیب به نظر خواهد رسید که توپ های بیلیارد در برابر درک ذاتی مان از زمان مقاومت می کنند.

با این حال تصور کنید که فردی از فرایند بر هم خوردن توپ های بیلیارد در شکل مثلثی شان فیلم بگیرد که به تمام جهت ها پراکنده می شوند. در این صورت باید قوانین بازی را بدانید تا با دیدن ویدیوی معکوس شده سناریوی واقعی را تشخیص دهید.

درک ذاتی بشر از قانون دوم ترمودینامیک باعث می شود که معکوس این ویدیو برایمان عجیب به نظر برسد؛ بر این اساس یک سیستم جدا شده و ایزوله یا ثابت می ماند یا به سمت وضعیت بی نظمی حرکت می کند تا وضعیت منظم!

دیگر قوانین فیزیک (بجز قانون دوم ترمودینامیک) هیچ خللی در جمع شدن توپ ها از وضعیت بی نظم به شکل منظم به وجود نمی آورند یا براساس آنها مانعی برای بازگشت ذرات مذاب به داخل آتش فشار یا بازگشت آب ریخته شده به داخل ظرف وجود ندارد و صرفا قانون دوم ترمودینامیک است که مانع از این اتفاقات می شود.

بی تردید ما هم هیچکدام از این رویدادها را نمی بینیم. علت این است که برای وقوع چنین رویدادهایی باید یک سیستم ایزوله بدون مداخله خارجی وضعیت منظم تری به خود بگیرد و این برخلاف قانون دوم ترمودیناک است.

ماهیت این قانون تابحال با جزئیات کامل توضیح داده نشده اما محققان به پیشرفت های خوبی برای درک اصول پایه ای در پس این قانون دست پیدا کرده اند.

در پژوهشی که ابتدای این مطلب به آن اشاره کردیم دانشمندان به جای آنکه خود را مشغول مثال هایی مانند بر هم خوردن نظم توپ های بیلیارد یا فوران مواد مذاب از کوه آتشفشان کنند تلاش نمودند مشخص نمایند که آیا زمان میتواند برای یک ذره و به مدت کسری از ثانیه به صورت خودبخودی معکوس شود؟

اندرو لبدف از مولفان این مقاله در اینباره گفت:

الکترونی را تصور کنید که از زمان شروع مشاهده ما در جایش ثابت شده. این یعنی ما تقریبا به طور مطمئن موقعیت آن را در فضا می دانیم. به خاطر قوانین مکانیک کوانتوم نمیتوانیم موقعیت کاملا دقیق این الکترون را مشخص نماییم اما میتوانیم ناحیه ای کوچک حول محل قرارگیری اش را مشخص نماییم.

معادله مستقل از زمان شرودینگر بر تغییر محل الکترون نظارت دارد؛ این معادله تفاوتی میان آینده و گذشته قائل نیست و براساس آن محدوده ای که الکترون را در برگرفته است بسیار سریع بزرگ می شود و بی نظمی اش افزایش می یابد. به این ترتیب ابهام در مورد موقعیت الکترون نیز بیشتر میشود. این شبیه به افزایش بی نظمی در یک سیستم یا منظومه بزرگ نظیر میز بیلیارد است (به خاطر قانون دوم ترمودینامیک).

والری وینکور دیگر مولف این مقاله در این باره گفت:

با این حال قانون شرودینگر قابل معکوس سازی است. به لحاظ ریاضی این یعنی تحت یک تغییر شکل مشخص به نام مزدوج مختلط، معادله، الکترونی را توصیف می کند که محدوده کوچکی از فضا را در همان بازه زمانی به عقب حرکت می کند.

این پدیده در طبیعت مشاهده نمی شود اما به لحاظ نظری میتواند اتفاق بیافتد. علت هم نوسانات تصادفی در ریزموج های کیهانی است که به صورت یکنواخت و به شکل ایزوتوپ در سراسر عالم هستی پراکنده می شوند.

تیم محققان در ادامه احتمال مشاهده بازگشت یک الکترون به گذشته نزدیکش را اندازه گرفتند و اعلام نمودند که اگر فردی تمام طول حیات این عالم (یعنی ۱۳.۷ میلیارد سال) را صرف مشاهده و پایش ۱۰ میلیارد الکترون نماید حرکت معکوس الکترون تنها یکبار رخ خواهد داد و آن الکترون یک ده میلیاردم ثانیه به عقب خواهد رفت.

آیا بشر میتواند زمان را وارونه کند؟

دانشمندان در ادامه تلاش کردند که زمان را طی آزمایشی چهار مرحله ای وارونه کنند. آنها به جای الکترون وضعیت یک کامپیوتری کوانتومی متشکل از دو المان اصلی به نام کیوبیت های ابررسانا (که بعدا تعدادشان به سه عدد رسید) را زیر نظر گرفتند.

آنها دریافتند که در ۸۵ درصد موارد کامپیوتر کوانتومی دو کیوبیتی به وضعیت اولیه اش باز می گردد. و زمانی که کیوبیت ها به سه می رسد، خطاهای بیشتری رخ می دهد و نرخ موفقیت به ۵۰ درصد تقلیل می یابد. به گفته دانشمندان این خطاها به خاطر نقص در کامپیوترهای کوانتومی هستند و قطعا با طراحی سیستم های دقیق تر این نرخ نیز کم می شود.