فیزیکدانان برای اولین بار شواهدی از وقوع «زمان منفی» در دنیای کوانتوم را ثبت کردند!

سفر در زمان و عقب رفتن در زمان ایده‌ای است که بسیاری از فیزیکدانان معتقدند غیرممکن است ولی نویسندگان فیلم‌های علمی تخیلی از همین ایده برای نوشتن فیلم‌نامه هزاران فیلم تا به امروز استفاده کرده‌اند. اما اگر واقعاً بتوان در جهت منفی محور زمان حرکت کرد چطور؟ به تازگی گروهی از فیزیکدانان نشان داده‌اند که در طی یک سلسله آزمایش، فوتون‌های مورد تست می‌توانند اینطور خود را نشان دهند که پیش از ورود به یک ماده، از آن خارج شده‌اند؛ این نمود واقعی برای ارائه شواهد تجربی از زمان منفی است.

فیزیک کوانتومی مملو از پدیده‌های عجیب و غیرعادی است: اتم‌ها و مولکول‌ها گاهی به صورت ذرات رفتار می‌کنند و گاهی به صورت موج؛ از طریق چیزی که به “عمل شبح‌وار از راه دور” معروف است، ذرات می‌توانند حتی در فواصل بسیار دو به هم مرتبط باشند و بی‌نهایت اتفاق عجیب دیگر نیز بیفتد که ما فعلاً از آنها چیزی نمی‌دانیم.

اما به تازگی گروهی از پژوهشگران به رهبری دانیلا آنگولو از دانشگاه تورنتو به نتیجه عجیب دیگری دست یافته‌اند: فوتون‌ها، که ذرات-موج‌های نور هستند، می‌توانند زمان منفی را هنگام عبور از ابر اتم‌های سرد شده تجربه کنند. به عبارت دیگر، فوتون‌ها می‌توانند این‌طور به نظر برسد که قبل از ورود به یک ماده از آن خارج شده‌اند!

در این خصوص اِفریم استاینبرگ، فیزیکدان دانشگاه تورنتو، در یک پست در شبکه اجتماعی X در مورد این مطالعه که ماه گذشته میلادی در سایت arXiv.org بارگذاری شده (و هنوز داوری نشده) می‌نویسد:

در طی آزمایش اینطور می‌دیدیم که زمان در حالت گذر است و به اصطلاح، مدت زمانی مثبت صرف شده، اما آزمایش ما نشان داد که فوتون‌ها می‌توانند باعث شوند که اتم‌ها زمان منفی را در حالت برانگیخته سپری کنند.

ایده رویت زمان منفی از کجا شکل گرفت؟

اینطور که تیم پشت این پژوهش اعلام کرده، ایده انجام این تحقیق در سال 2017 شکل گرفته است. در آن زمان، استاینبرگ و همکارش جوسایا سینکلر، دانشجوی دکتری، با علاقه خود به مطالعه تعامل نور و ماده می‌پرداختند. این طرح روی اثری تمرکز داشت که پدیده تحریک اتمی نامیده می‌شود.

در این اثر هنگامی که فوتون‌هایی از میان یک ماده عبور کرده و به آن جذب می‌شوند، موجی می‌شوند که الکترون‌های اطراف اتم‌های ماده به سطوح انرژی بالاتری بروند. وقتی این الکترون‌های برانگیخته به حالت اولیه خود برمی‌گردند، انرژی جذب‌شده را به صورت فوتون‌های بازتابیده منتشر می‌کنند و این کار تأخیری در زمان عبور نور از ماده ایجاد می‌کند.

تیم سینکلر می‌خواست این تأخیر زمانی (که گاهی «تأخیر گروهی» نامیده می‌شود) را اندازه‌گیری کند و بفهمد که آیا این تأخیر به سرنوشت فوتون وابسته است یا خیر: آیا فوتون در ابر اتمی جذب و پراکنده شد یا بدون هیچ تعامل به مسیر خود ادامه داد؟

سینکلر در این مورد می‌گوید:

در آن زمان، نمی‌دانستیم پاسخ چیست و احساس می‌کردیم که چنین سوال اساسی‌ای در مورد یک پدیده این‌قدر بنیادی باید به راحتی قابل پاسخ باشد. اما هرچه با افراد بیشتری صحبت کردیم، بیشتر متوجه شدیم که اگرچه هرکسی یک نظر یا حدس داشت، هیچ توافقی بین متخصصان در مورد پاسخ درست وجود نداشت.

به دلیل عجیب و غیرقابل‌درک بودن این تأخیرهای زمانی، برخی از پژوهشگران این پدیده را بی‌معنی می‌دانستند و آن را فاقد ارزش برای توصیف هرگونه ویژگی فیزیکی مربوط به نور قلمداد می‌کردند.

روند آزمایش جالب رویت زمان منفی

پس از سه سال برنامه‌ریزی، تیم تحت مدیریت سینکلر دستگاهی برای آزمایش این سؤال در آزمایشگاه دانشگاه تورونتو توسعه داد. آزمایش‌های آن‌ها شامل شلیک فوتون‌ها به یک ابر از اتم‌های فوق‌سرد روبیدیوم و اندازه‌گیری میزان تحریک اتمی حاصل بود.

دو شگفتی از این آزمایش پدیدار شد: گاهی فوتون‌ها بدون هیچ آسیبی عبور می‌کردند، اما اتم‌های روبیدیوم همچنان برانگیخته می‌شدند و به همان مدتی که اگر فوتون‌ها را جذب کرده بودند، برانگیخته می‌ماندند. عجیب‌تر این بود که وقتی فوتون‌ها جذب می‌شدند، خیلی زودتر از آنکه اتم‌های روبیدیوم به حالت اولیه خود بازگردند دوباره منتشر می‌شدند؛ خیلی زودتر از آنکه اتم‌های روبیدیوم به حالت اولیه خود بازگردند. در واقع اینطور نمود می‌کرد که انگار فوتون‌ها به طور متوسط زودتر از آنچه انتظار می‌رفت، اتم‌ها را ترک کرده‌اند.

نمایش این پدیده آنقدر عجیب بود که سینکلر و تیمش قادر به تحلیل دقیق آن نبودند. همین نقطه تاریک موجب شد تا آنها با هاوارد وایزمن، فیزیکدان نظری و کوانتوم از دانشگاه گریفیث در استرالیا تماس بگیرند تا بتوانند توضیحی برای این پدیده بیابند.

در نهایت با همکاری وایزمن و تیم سینکلر، چارچوب نظری‌ای که پدید آمد نشان داد که مدت زمانی که این فوتون‌های منتقل‌شده به عنوان تحریک اتمی سپری می‌کنند، حتی در مواردی که به نظر می‌رسید فوتون‌ها قبل از کاهش تحریک اتمی بازتاب شده باشند، به طور کامل با تأخیر گروهی پیش‌بینی‌شده برای نور همخوانی دارد. 

توضیح ساده‌تر روند نمایش زمان منفی توسط فوتون ها

برای درک این یافته غیرعادی، می‌توانید فوتون‌ها را به عنوان اشیاء کوانتومی مبهمی در نظر بگیرید که جذب و بازتاب آن‌ها در یک تحریک اتمی به طور دقیق در یک بازه زمانی ثابت رخ نمی‌دهد؛ بلکه در یک بازه احتمالی گسترده اتفاق می‌افتد.

همان‌طور که آزمایش‌های این تیم نشان داد، این بازه زمانی می‌تواند شامل مواردی باشد که زمان عبور فوتون تقریباً آنی است، یا به‌طور عجیبی می‌توان مشاهده نمود که زمانی که فوتون قبل از پایان تحریک اتمی آزاد می‌شود. این حالت یعنی یک حرکت منفی در محور زمان ایجاد شده است!

در نهایت برای آزمایش بهتر و دقیق‌تر، ترتیب انجام آزمایشات موسوم به پیگیری موضوع داده شد ولی مجدداً اتفاق عجیب قبلی تکرار شد. استاینبرگ در مورد نتایج این آزمایش می‌گوید:

وقتی فوتون منتقل‌شده را می‌بینید، نمی‌توانید بدانید کدام یک از این دو حالت رخ داده است. به دلیل اینکه فوتون‌ها ذرات کوانتومی هستند، این دو حالت می‌توانند در یک حالت هم‌زمان رخ دهند. دستگاه اندازه‌گیری در نهایت در یک حالت هم‌زمان قرار می‌گیرد که هم مقدار صفر و هم مقداری مثبت را اندازه می‌گیرد.

این همچنین بدان معناست که گاهی دستگاه اندازه‌گیری در حالتی قرار می‌گیرد که شبیه “صفر” به اضافه “چیزی مثبت” نیست، بلکه مانند “صفر” منهای “چیزی مثبت” به نظر می‌رسد که نتیجه آن به‌ظاهر یک مقدار منفی برای زمان تحریک است.

نتایج آزمایش تیم آنگولو و همکارانش نشان می‌دهد که فوتون‌ها هنگامی که اتم‌ها را تحریک می‌کنند، سریع‌تر از زمانی که اتم‌ها در حالت پایه خود قرار دارند از میان ماده عبور می‌کنند. (این فوتون‌ها هیچ اطلاعاتی منتقل نمی‌کنند، بنابراین این نتیجه با محدودیت سرعتی که در نظریه نسبیت خاص اینشتین تعیین شده است، تناقضی ندارد).

زمان معنی یعنی چه؟

سینکلر در این خصوص مثال جالبی می‌زند:

یک تأخیر زمانی منفی ممکن است متناقض به نظر برسد، اما معنای آن این است که اگر یک ساعت کوانتومی بسازید تا زمانی را که اتم‌ها در حالت برانگیخته سپری می‌کنند، اندازه‌گیری کند، عقربه ساعت در شرایطی به جای جلو رفتن، به عقب حرکت خواهد کرد. به عبارت دیگر، زمان جذب فوتون‌ها توسط اتم‌ها منفی است.

با اینکه این پدیده شگفت‌انگیز است، تأثیری بر درک ما از زمان در جهان بزرگتر ندارد؛ اما یک بار دیگر نشان می‌دهد که دنیای کوانتومی هنوز هم پر از شگفتی است.