آیا نور می تواند به گذشته سفر کند؟ امکان دارد من بتوانم!

غزل زیاری: آیا می توانید زمان را به عقب برگردانید؟ اگر از یک فیزیکدان باهوش این سوال را بپرسید، پاسخ این خواهد بود: “این بستگی دارد.”

ایده های مربوط به سفر در زمان و بازگشت به گذشته فراوان است. اما معمولاً حاوی پارادوکس‌های زیادی هستند و بر اساس ساختارهای نظری عجیبی مانند کرم‌چاله‌ها (که ممکن است در واقعیت وجود نداشته باشند) هستند. با این حال، وقتی نوبت به بازگشت به گذشته می رسد (مانند زدن یک تخم مرغ خام و سپس جدا کردن سفیده از زرده)، زیر شاخه غنی و رو به رشد فیزیک امواج نشان می دهد که بازگشت به گذشته امکان پذیر است.

معکوس کردن زمان با یکی از اساسی ترین اصول فیزیک، قانون دوم ترمودینامیک، در تضاد است. این اصل بیان می کند که بی نظمی (آنتروپی) همیشه در حال افزایش است. این لغزش اجتناب ناپذیر در هرج و مرج همان چیزی است که جدا کردن زرده و سفیده را پس از هم زدن بسیار دشوار می کند، و چیزی است که پیکان زمان را در سفری یک طرفه در تجربیات روزمره ما قرار می دهد. اگرچه تا به امروز هیچ راهی برای جدا کردن زرده و سفیده تخم مرغ پس از همزدن وجود ندارد، اما محققان موفق شده اند در سناریوهای خاص و با دقت کنترل شده در سیستم های نسبتا ساده به گذشته برگردند.

ترفند ایجاد نوع خاصی از انعکاس است. اول، بیایید یک بازتاب فضایی منظم را تصور کنیم. مانند آنچه در یک آینه شیشه ای با پشت نقره ای می بینید. در اینجا بازتاب رخ می دهد. زیرا نقره واسطه ای برای پرتوهای نور بسیار متفاوت از هوا است. تغییر ناگهانی در خواص نوری باعث تابش نور می شود.; مثل برخورد توپ پینگ پنگ به دیوار. حال تصور کنید که به جای تغییر در نقاط خاصی از فضا، خواص نوری به طور چشمگیری در کل مسیر پرتو در یک لحظه خاص از زمان تغییر می کند. این بار نور به جای رانده شدن به فضا، به گذشته برمی گردد و دقیقاً همان طور که بوده باز می گردد. مثل یک توپ پینگ پنگ که به سمت آخرین بازیکنی که به آن ضربه می زند برمی گردد. این دقیقاً «بازتاب زمان» است.

برای چندین دهه، بازتاب زمان نظریه پردازان را مجذوب خود کرده است. اما باید در نظر داشت که تغییر سریع و کافی خواص نوری یک ماده کار آسانی نیست. اکنون، محققان دانشگاه سیتی نیویورک به پیشرفتی دست یافته اند: ایجاد بازتاب های مبتنی بر نور از زمان.

برای انجام این کار، فیزیکدان Andrea Elo و همکارانش یک فرا ماده با خواص نوری قابل تنظیم ساختند که می‌توان آن را در کسری از نانوثانیه تغییر داد و سرعت نور را به نصف یا دو برابر کرد. فرامواد دارای خواصی هستند که با ساختار آنها مشخص می شود. بسیاری از آنها شامل آرایه‌هایی از میله‌ها یا حلقه‌های میکروسکوپی هستند که می‌توانند برای تعامل و دستکاری نور به روش‌هایی تنظیم شوند که با هیچ ماده طبیعی امکان‌پذیر نیست. الو در این رابطه گفت که این داستان آنها را شگفت زده کرد: «اکنون متوجه شدیم که بازتاب زمان می تواند بسیار غنی تر از آن چیزی باشد که فکر می کردیم. دلیل آن روشی است که ما آن را اجرا کردیم.”

این ویژگی‌های ساختاری در طبیعت نیز یافت می‌شود، از جمله رنگ‌های رنگین کمان روی بال‌های پروانه. محققان با بررسی آنچه که از طبیعت باقی مانده است، ساختارهایی طراحی کرده اند که می تواند اجسام را نامرئی کند. استفاده از اینها در موارد مختلف خواهد بود، از آنتن دهی بهتر و حفاظت در برابر زلزله گرفته تا ساخت کامپیوترهای مبتنی بر نور عملی. اکنون محققان در حال مبادله ابعاد مکانی این ویژگی های ساختاری با ابعاد زمانی هستند. نادر آنگاتا، استاد دانشگاه پنسیلوانیا و یکی از پیشگامان فیزیک موجی که توسط فرامواد تعدیل شده است، می گوید: «ما فرامواد را برای انجام کارهای غیرعادی طراحی می کنیم و این یکی از آن موارد غیرعادی است.

امواجی که عجیب می شوند

وسیله ای که الو و همکارانش توسعه دادند، یک موجبر است که نور فرکانس مایکروویو را کانالیزه می کند. مجموعه ای از کلیدهای متراکم در امتداد موجبر آن را به مدارهای خازن متصل می کنند که به صورت دینامیکی مواد را به نور فرودی اضافه یا حذف می کنند، که می تواند خواص موثر موجبر را تغییر دهد. الو گفت: ما مواد مختلفی را اضافه یا کم می کنیم و به همین دلیل است که این روند می تواند سریع باشد.

انعکاس زمان با انواعی از اثرات ضد شهودی مرتبط است که از نظر تئوری پیش‌بینی شده‌اند اما هرگز با نور نشان داده نشده‌اند. به عنوان مثال، آنچه در ابتدای سیگنال اصلی است در انتهای سیگنال منعکس نخواهد شد. این وضعیت شبیه نگاه کردن در آینه و دیدن پشت سر است. بعلاوه، در حالی که بازتاب استاندارد نحوه عبور نور از فضا را تغییر می دهد، بازتاب زمانی اجزای زمانی نور، یعنی فرکانس های آن را تغییر می دهد.. در نتیجه در نمای بازتابی زمان، پشت شما نیز رنگ متفاوتی خواهد داشت.

الو و همکارانش هر دو اثر را روی دستگاه مشاهده کردند. آنها امیدوارند در پردازش سیگنال و ارتباطات به نتایج بهتری دست یابند. چیزهایی که برای عملکرد، مثلاً تلفن هوشمند شما حیاتی به نظر می رسند و به اثراتی مانند تغییر فرکانس بستگی دارند.

چند ماه پس از ساخت و توسعه این دستگاه، الو و همکارانش هنگامی که سعی کردند با شلیک دو پرتو نور به یکدیگر در داخل دستگاه، بازتابی موقت در موجبر ایجاد کنند، رفتار شگفت‌انگیزتری را مشاهده کردند. پرتوهای نور در حال برخورد معمولی مانند امواج رفتار می‌کنند و الگوهای تداخلی ایجاد می‌کنند که در آن قله‌ها و دره‌ها با هم همپوشانی دارند یا مانند موج‌هایی در آب خنثی می‌شوند. اما در واقع، نور می تواند به عنوان یک پرتابه نقطه ای، یک فوتون و همچنین یک میدان موج نوسانی عمل کند. یعنی دوگانگی موج – ذره دارد. با این حال، معمولا یک سناریوی خاص، به روشی خاص، تنها به یک رفتار خاص منجر می شود. طبق تجربیات الو و همکارانش، وقتی بازتاب زمانی رخ می دهد، به نظر می رسد اتفاق دیگری رخ می دهد.

محققان با کنترل اینکه آیا امواج در حال برخورد به صورت سازنده یا مخرب در هنگام وقوع انعکاس زمان و اینکه آیا آنها جمع یا تفریق می کنند، به این اثر عجیب دست یافتند.. آنها با کنترل زمان مشخصی که در آن بازتاب رخ می دهد، نشان دادند که این دو موج، با همان دامنه موجی که با آن شروع کردند (مثل برخورد توپ های بیلیارد)، از یکدیگر منعکس می شوند. از سوی دیگر، انرژی شما می تواند کاهش یابد یا انرژی کسب کند، مانند پرش توپ های اسفنجی. همانطور که در مورد توپ های کشیده شده در دو طرف فنر دیده می شود. الو در این خصوص گفت: ما می توانیم این تعاملات را در صرفه جویی انرژی، تامین انرژی و یا سرکوب انرژی ایجاد کنیم. او در ادامه به این نکته اشاره کرد که چگونه بازتاب زمان می‌تواند یک دستگیره کنترلی جدید برای برنامه‌های مربوط به تبدیل انرژی و شکل‌دهی پالس فراهم کند، جایی که شکل موج‌ها برای بهینه‌سازی سیگنال پالس تغییر می‌کنند.

از هم پاشیدگی فیزیک

افرادی که با قوانین فیزیک آشنا هستند می توانند با اطمینان بگویند که دستگاه Elo اصول ترمودینامیک را نقض نمی کند. به عنوان مثال، یک موجبر نه انرژی ایجاد می کند و نه از بین می برد و فقط به طور موثر انرژی را از شکلی به شکل دیگر تغییر می دهد. اما در مورد افزایش اجتناب ناپذیر بی نظمی (آنتروپی) با گذشت زمان، همانطور که در ترمودینامیک تعریف شده است، چطور؟ چگونه یک موجبر در زمان منعکس می شود؟ آیا یک پرتو نور معادل جدا کردن سفیده و زرده تخم مرغ پس از تکان دادن آن خواهد بود؟

جان پندری، فیزیکدانی در کالج امپریال لندن که روی فراماده کار می کند، این را توضیح داد معکوس کردن یک پرتو نور هر چقدر هم عجیب به نظر برسد، اما کاملاً با اصول ترمودینامیک مطابقت دارد. ظهور بی نظمی (آنتروپی) نتیجه از دست رفتن اطلاعات است.. به عنوان مثال، پس از ردیف کردن دانش آموزان یک مدرسه به ترتیب حروف الفبا، همه می توانند به راحتی بچه های داخل ردیف را پیدا کنند. اما وقتی در حیاط مدرسه رها می شوند، باید از راه های بسیار دیگری حل شوند. این دقیقاً مشابه افزایش بی نظمی و آنتروپی است، و در نتیجه، اطلاعاتی که قبلاً برای یافتن مکان هر کودک در اختیار داشتید، وقتی آنها را در زمین بازی رها می کنید دیگر مفید نیست. پندری ادامه داد: «اگر زمان برگشت‌پذیر است، به این معنی است که هیچ بی‌نظمی یا آنتروپی ایجاد نمی‌شود، «حتی اگر به نظر می‌رسد که شما آن را ایجاد می‌کنید.» بیایید به مثال حیاط مدرسه و بچه‌ها برگردیم، اگرچه بچه‌ها. بدوید و بازی کنید در حیاط مدرسه آنها می دانند که چگونه باید صف بکشند و وقتی زنگ به صدا در می آید به کلاس برگردند در نتیجه هیچ آشفتگی ایجاد نشد یا اطلاعات از بین رفت.

بیشتر بخوانید:

بازتاب چیزی بیش از یک پدیده نورانی ساده است که در حوزه زمان درک می شود. در ماه آوریل، پندری و تیمی از محققان، از جمله ریکاردو ساپینزا از امپریال کالج لندن، یک آنالوگ حوزه زمان از یک آزمایش کلاسیک قرن‌ها را نشان دادند که نقش کلیدی در ایجاد دوگانگی موج-ذره نور داشت. آزمایش بیسکاف برای اولین بار در سال 1801 توسط فیزیکدان توماس یانگ انجام شد، آزمایش بیسکاف چنان شواهد غیرقابل انکاری برای ماهیت موجی نور ارائه کرد که در مواجهه با شواهد بعدی برای نور به عنوان یک ذره، دانشمندان تنها توانستند به این نتیجه برسند که دو توصیف مفید هستند.

به گفته دکتر آنگاتا، آنچه این تجربیات را هیجان انگیز می کند، آزمایش هایی است که زمان و مکان را در جلوه های نوری مبادله می کنند. وی در همین راستا گفت: اینها ویژگی های جدید و جالبی هستند که می توانیم در فیزیک برهمکنش نور-ماده پیدا کنیم و به وفور وجود دارند.

پندری توضیح داده است که چگونه اکتشافات موقت فرامواد انجام شده توسط او و همکارانش چیزهای بسیار عجیبی را فاش کرده است. از جمله چیزی که آنها کمپرسور فوتونیک نامیدند. کمپرسور فوتونیکی Pendri یک فراماده است که دارای مناطقی با خواص نوری مختلف است که بر سرعت انتشار نور تأثیر می گذارد. این میله ها قابل تنظیم هستند و نوعی ویژگی “پایدار” را تشکیل می دهند. هنگامی که این فرامهاجرت همراه با نور از میان فراماده عبور می کند، می تواند فوتون ها را به دام بیاندازد و به طور موثر آنها را فشرده کند. علاوه بر این، تحقیقات اضافی نشان داده است که این نوع کمپرسور فوتونیک ویژگی‌های مشترکی با سیاه‌چاله‌ها دارد که می‌تواند یک آنالوگ در مقیاس آزمایشگاهی قابل کنترل‌تری برای مطالعه چنین اجرام نجومی شدید ارائه کند. با یک بعد زمانی کاملاً جدید که به روی فرامواد باز است، آنالوگ های سیاهچاله فشردگی فوتون تنها یک راه از پدیده های عجیب برای کاوش هستند و احتمالات زیادی وجود دارد.

آبنما: دانشمند آمریکایی

۵۸۵۸