آیا زمان کوانتومی است؟

فیزیک‌دانان در مطالعه‌ای جدید که در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است ایده‌ای بسیار عجیب و در عین حال قابل‌توجه را مطرح کرده‌اند؛ اینکه خود زمان ممکن است در مقیاس کوانتومی رفتاری مشابه ذرات کوانتومی داشته باشد و بتواند به‌طور هم‌زمان در چند حالت مختلف وجود داشته باشد.

به گزارش ساینس دیلی، این پژوهش توسط تیمی بین‌المللی به رهبری Igor Pikovski، استاد فیزیک نظری در موسسه فناوری استیونز و با همکاری گروه‌های آزمایشگاهی به سرپرستی Christian Sanner از دانشگاه ایالتی کلرادو و Dietrich Leibfried از مؤسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) انجام شده است.

زمان؛ از نسبیت تا جهان کوانتومی

در فیزیک کلاسیک و همچنین در نظریه نسبیت اینشتین زمان یک کمیت ثابت نیست و بسته به سرعت حرکت و میدان گرانشی تغییر می‌کند. این موضوع سال‌هاست با آزمایش‌های دقیق از جمله ساعت‌های اتمی فوق‌پیشرفته، تأیید شده است. برای مثال یک ساعت در حال حرکت بسیار سریع در مقایسه با ساعت ساکن، کندتر زمان را ثبت می‌کند، اما زمانی که این تصویر با قوانین مکانیک کوانتومی ترکیب می‌شود، وضعیت پیچیده‌تر و حتی شگفت‌انگیزتر می‌شود.

در مکانیک کوانتومی ذرات می‌توانند در حالت‌های مختلف به‌طور هم‌زمان وجود داشته باشند؛ پدیده‌ای که به برهم‌نهی کوانتومی معروف است. پژوهش جدید نشان می‌دهد که اگر خودِ ساعت‌ها نیز از قوانین کوانتومی پیروی کنند ممکن است زمان اندازه‌گیری‌شده نیز در حالت‌های چندگانه قرار بگیرد.

به بیان ساده‌تر یک ساعت کوانتومی می‌تواند هم‌زمان در چند نرخ متفاوت تیک‌تاک کند؛ یعنی زمان برای آن می‌تواند هم کندتر و هم سریع‌تر در یک لحظه وجود داشته باشد.

تشبیه با گربه شرودینگر

این ایده به آزمایش ذهنی مشهور گربه شرودینگر شباهت دارد؛ جایی که یک گربه می‌تواند هم‌زمان زنده و مرده باشد تا زمانی که مشاهده شود. در اینجا نیز زمان می‌تواند در حالت‌های هم‌پوشان وجود داشته باشد؛ به‌طوری که یک ساعت هم‌زمان جوان‌تر و پیرتر به نظر برسد.

به گفته Igor Pikovski: زمان در نظریه کوانتومی و نسبیت نقش‌های بسیار متفاوتی دارد. آنچه ما نشان می‌دهیم این است که ترکیب این دو چارچوب می‌تواند نشانه‌های پنهان کوانتومی از جریان زمان را آشکار کند که دیگر با فیزیک کلاسیک قابل توضیح نیست.

ساعت‌های اتمی؛ ابزار ورود به مرز واقعیت

پژوهشگران برای بررسی این ایده به سراغ ساعت‌های اتمی فوق دقیق رفتند؛ ابزار‌هایی که در مراکزی مانند NIST ساخته شده‌اند و از یون‌های منفردی مانند آلومینیوم یا ایتربیوم استفاده می‌کنند. این یون‌ها تا نزدیکی صفر مطلق سرد می‌شوند و با لیزر در وضعیت‌های کوانتومی کنترل‌شده قرار می‌گیرند.

Gabriel Sorci، دانشجوی دکتری و از نویسندگان مقاله توضیح می‌دهد: ساعت‌های اتمی به‌قدری دقیق شده‌اند که حتی ارتعاشات حرارتی بسیار کوچک را هم تشخیص می‌دهند اما حتی در دمای صفر مطلق نیز نوسانات کوانتومی خلا می‌توانند بر سرعت تیک‌تاک ساعت اثر بگذارند.

پیچاندن خلا کوانتومی و زمان چندگانه

یکی از بخش‌های پیشرفته این تحقیق، بررسی امکان ایجاد حالت‌های فشرده‌شده کوانتومی (squeezed states) است؛ حالتی که در آن عدم قطعیت‌های کوانتومی در یک متغیر کاهش یافته و در دیگری افزایش می‌یابد. در این وضعیت، رفتار ساعت می‌تواند به شکلی غیرعادی تغییر کند.

در چنین شرایطی ساعت نه‌تنها می‌تواند هم‌زمان نرخ‌های مختلفی از زمان را تجربه کند بلکه ممکن است با حرکت خود نیز درهم‌تنیده (entangled) شود؛ یعنی وضعیت حرکت و زمان آن به‌طور کوانتومی به هم وابسته شوند.

به گفته Dietrich Leibfried این فناوری‌ها در حال حاضر در دسترس هستند و می‌توانند شرایط لازم برای آزمایش چنین پدیده‌هایی را فراهم کنند.

پژوهشگران معتقدند که با پیشرفت فناوری ساعت‌های یون به دام افتاده و تکنیک‌های محاسبات کوانتومی می‌توان در آینده نزدیک این پیش‌بینی‌ها را به‌طور مستقیم آزمایش کرد.

ش Christian Sanner می‌گوید تیم او در حال کار روی روش‌هایی است که بتواند این اثرات بسیار ظریف را در محیط آزمایشگاهی آشکار کند.

این پژوهش تنها به مسئله زمان محدود نمی‌شود. پیکوفسکی اشاره می‌کند که همین فناوری‌های کوانتومی ممکن است در آینده حتی برای بررسی پدیده‌های بنیادی‌تر مانند گرانش کوانتومی و شاید آشکارسازی تک‌گران‌ها (gravitons) نیز به کار روند.

ساعت‌های اتمی که امروز برای سنجش دقیق زمان استفاده می‌شوند ممکن است در آینده به ابزاری برای کشف ماهیت واقعی زمان و ساختار بنیادی جهان تبدیل شوند.

انتهای پیام/