نور می تواند به گذشته سفر کند؟ شاید بتواند! - وبلاگ کرمی

به گزارش وبلاگ کرمی، نور نه تنها در فضا، بلکه در زمان نیز قابل انعکاس است و محققانی که در حال کاوش درباره بازتاب های زمانی هستند، با اثرات شگفت انگیز و حیرت آوری روبرو شده اند.

غزال زیاری: آیا می توان زمان را به عقب برگرداند؟ اگر این سوال را از یک فیزیکدان باهوش بپرسید، پاسخ او این خواهد بود: بستگی دارد.

ایده های سفر در زمان و بازگشت به عقب فراوانند؛ اما معمولا شامل پارادوکس های زیادی هستند و بر ساختارهای نظری عجیب و غریبی مثل کرم چاله ها (که ممکن است در واقعیت وجود نداشته باشند) تکیه دارند. در هر حال وقتی صحبت از برگرداندن زمان به عقب مطرح می شود (مثل بحث هم زدن تخم مرغ خام و پس از آن جدا کردن سفیده و زرده از هم)، یک زیر شاخه غنی و در حال رشد از فیزیک موجی نشان می دهد که بازگرداندن زمان امکان پذیر است.

بازگرداندن زمان، با یکی از اساسی ترین اصول فیزیک، یعنی قانون دوم ترمودینامیک در تضاد است. این اصل بیان می نماید که بی نظمی (آنتروپی) همواره در حال افزایش است. این لغزش اجتناب ناپذیر به سمت آشفتگی، همان چیزی است که جدا کردن زرده و سفیده بعد از هم زدن را به طرز غیرممکنی سخت می نماید و آن چیزی است که پیکان زمان را در سفری یک طرفه در تجربیات روزمره مان به حرکت درمی آورد. گرچه تا به امروز هیچ راهی برای جدا کردن زرده و سفیده تخم مرغ بعد از هم زدن آن وجود ندارد، اما محققان پیروز شده اند تا در سناریوهای خاص، با دقتی کنترل شده و در سیستم های نسبتا ساده، زمان را به عقب بازگردانند.

ترفند این کار در ایجاد نوع خاصی از بازتاب نهفته است. در ابتدا، یک انعکاس فضایی منظم را تصور کنید؛ مثل چیزی که در یک آئینه شیشه ای با پشت نقره ای می بینید. بازتاب در اینجا رخ می دهد؛ چون نقره یک وسیله انتقال بسیار متفاوت از هوا، برای یک پرتو نور است. تغییر به یک باره در خواص نوری، باعث برگشت نور خواهد شد؛ دقیقا مثل برخورد توپ پینگ پونگ به دیوار. حالا تصور کنید که به جای تغییر در نقاط خاصی از فضا، خواص نوری در تمام طول مسیر پرتو در یک لحظه خاص از زمان به شدت تغییر کند. این بار نور به جای پس زده شدن در فضا، در زمان پس می کشد و دقیقا مسیر رفته را بازمی شود. مثل توپ پینگ پونگی که به سمت بازیکنی که آخرین بار به آن ضربه زده، برمی شود. این دقیقا انعکاس زمان است.

دهه هاست که انعکاس زمان، نظریه پردازان را مجذوب خود نموده؛ اما باید مدنظر داشت که تغییر سریع و کافی خواص نوری یک ماده، کار ساده ای نیست. حالا محققان دانشگاه سیتی نیویورک پیشرفت بزرگی را در این مسیر داشته اند: ایجاد انعکاس های زمانی مبتنی بر نور.

برای انجام این کار، فیزیکدانی به نام آندره آ الو و همکارانش، یک فراماده با ویژگی های نوری قابل تنظیمی ابداع کردند که می توانستند آن را در کسری از نانوثانیه تغییر داده وسرعت عبور نور را نصف یا دو برابر کند. فرامواد، دارای خواصی هستند که به وسیله ساختار آنها معین می شود. بسیاری از آنها متشکل از آرایه هایی از میله ها یا حلقه های میکروسکوپی هستند که برای تعامل و دستکاری نور می توان آنها را به روش هایی تنظیم کرد که در خصوص هیچ ماده طبیعی ای امکان پذیر نیست. الو در این رابطه گفته که این حسابی آنها را شگفت زده نموده: الان ما متوجه شده ایم که انعکاس های زمانی می تواند بسیار غنی تر از چیزی باشد که فکرش را می کردیم. علتش هم روشی است که آن را اجرا می کنیم.

این ویژگی های ساختاری در طبیعت نیز یافت می شوند که از این جمله می توان به رنگ های رنگین کمانی در بال های پروانه اشاره نمود. محققان با آنالیز چیزهای به جامانده از طبیعت، ساختارهایی را مهندسی کردند که می توانند اجسام را نامرئی نموده و کاربرد اینها در موارد مختلفی از آنتن های بهتر و محافظت در برابر زلزله گرفته تا ساخت کامپیوترهایی برپایه نور کاربردی خواهند بود. حالا محققان در حال مبادله ابعاد فضایی این ویژگی های ساختاری با ابعاد زمانی هستند. نادر انقطاع، استاد دانشگاه پنسیلوانیا و یکی از پیشگامان فیزیک موج مدوله شده با فرامواد گفت: ما فرامواد را برای انجام کارهای غیرعادی طراحی می کنیم و این یکی از آن موارد غیرعادی است.

موج هایی که عجیب می شوند

دستگاهی که الو و همکارانش آن را توسعه دادند، یک موج بر است که نور فرکانس مایکروویو را کانالیزه می نماید. آرایه ای با فاصله ای متراکم از سوئیچ هایی در امتداد موج بر ، آن را به مدارهای خازن متصل می نماید که به صورت دینامیک موادی را برای برخورد نور اضافه یا حذف نموده و قابلیت این را دارد تا ویژگی های موثر موج بر را تغییر دهد. الو در این باره گفته: در حال جمع یا کم کردن مواد مختلف هستیم و به همین علت است که این روند می تواند سریع طی شود.

انعکاس زمان با طیفی از اثرات ضد شهودی همراه است که از نظر تئوری پیش بینی شده ولی هرگز با نور نشان داده نشده اند. مثلا آنچه در ابتدای سیگنال اصلی واقع شده است، در انتهای سیگنال بازتاب نخواهد شد. این وضعیتی شبیه به نگاه کردن به خودتان در آئینه و تماشا پشت سرتان است. به علاوه، در شرایطی که بازتاب استاندارد، نحوه عبور نور از فضا را تغییر می دهد، بازتاب زمانی، اجزای زمانی نور یعنی فرکانسهای آن را تغییر خواهد داد. در نتیجه در نمای بازتابی زمان، پشت سر شما نیز رنگ متفاوتی خواهد داشت.

الو و همکارانش هردوی این اثرات را در دستگاه مشاهده کردند. آنها امیدوارند که بتوانند در پردازش سیگنال و ارتباطات به نتایج بهتری برسند. مواردی که برای عملکرد مثلا در تلفن هوشمندتان که به اثراتی مثل تغییر فرکانس ها اتکا دارند، حیاتی به نظر می رسند.

چند ماه بعد از ساخت و توسعه این دستگاه، الو و همکارانش، هنگامی که سعی می کردند تا با شلیک دو پرتو نور به یکدیگر در داخل دستگاه، یک بازتاب زمانی در موج بر ایجاد نمایند، رفتارهای شگفت انگیرتری را مشاهده کردند. پرتوهای نوری که معمولا با هم برخورد می نمایند، مانند امواج رفتار نموده و الگوهای تداخلی ای ایجاد می نمایند که در آن، قله ها و فرورفتگی ها روی هم قرار گرفته یا مثل امواج روی آب جمع یا خنثی می شوند. اما در حقیقت نور می تواند به عنوان یک پرتابه نقطه مانند، یک فوتون و بعلاوه یک میدان نوسانی موج مانند عمل کند؛ یعنی دارای دوگانگی موج-ذره است. با این وجود، عموما یک سناریوی خاص، به شکلی معین، فقط یک رفتار خاص را به همراه دارد. طبق تجربیات الو و همکارانش ، زمانی که بازتاب زمانی رخ می دهد، به نظر می رسد که اتفاق دیگری، رخ می دهد.

محققان با کنترل کردن اینکه آیا امواج در حال برخورد، در هنگام وقوع بازتاب زمانی، به شکلی سازنده یا مخرب تداخل دارند و اینکه آیا آنها به هم اضافه یا کم می شوند، به این اثر عجیب دست یافتند. آنها با کنترل لحظه خاصی که بازتاب زمانی رخ می دهد، نشان دادند که این دو موج، با همان دامنه موجی که با آن آغاز شده اند (مثل برخورد توپ های بیلیارد)، از یکدیگر منعکس می شوند. از سوی دیگر، ممکن است در ادامه انرژی آنها مثل پس زدن توپ های اسفنجی کمتر شود و یا انرژی به دست بیاورند؛ همانطور که در خصوص توپ هایی که در دو طرف یک فنر کشیده شده دیده می شود. الو در این رابطه گفت: ما می توانیم این فعل و انفعالات را در صرفه جویی در انرژی، تامین انرژی یا سرکوب انرژی ایجاد کنیم. او در ادامه به این نکته اشاره نمود که چطور بازتاب زمانی می تواند به منزله یک دکمه کنترلی نو برای برنامه هایی که شامل تبدیل انرژی و شکل دهی پالس هستند که در آن شکل، موج ها برای بهینه سازی سیگنال پالس تغییر می نمایند، ارائه دهد.

از هم گسیختگی فیزیک

افرادی که به قوانین فیزیک آشنا هستند، می توانند با اطمینان بگویند که دستگاه الو، اصول ترمودینامیک را زیر پا نمی گذارد. به عنوان مثال موج بر هم انرژی ای ایجاد ننموده و یا از بین نمی برد و تنها انرژی را به شکلی موثر از شکلی به شکل دیگر تغییر می دهد.(انرژی به دست آمده یا از دست رفته به وسیله امواج، از چیزی می آید که برای تغییر ویژگی های فراماده اضافه یا کم می شود. اما در خصوص افزایش غیرقابل اجتناب بی نظمی (آنتروپی) در طول زمان، همانطور که در ترمودینامیک تعریف می شود، چه خواهد شد؟ چطور بازتاب زمانی یک پرتو نور، معادل تفکیک سفیده و زرده تخم مرغ، بعد از هم زدن آن خواهد شد؟

جان پندری، فیزیکدان امپریال کالج لندن که در خصوص فراماده کار می نماید، دراین باره شرح داده که هر چقدر هم معکوس کردن یک پرتو نور عجیب به نظر برسد، ولی کاملا با اصول ترمودینامیکی سازگار خواهد بود. ظهور بی نظمی (آنتروپی)، نتیجه از دست رفتن اطلاعات است. مثلا بعد از آنکه دانش آموزان یک مدرسه را به ترتیب حروف الفبا به صف کنید، همه به راحتی می توانند بچه ها را در داخل صف پیدا نمایند. اما وقتی آنها را در حیاط مدرسه رها نموده، باید با روش های متعدد دیگری بچه ها را مرتب کرد. این دقیقا مشابه افزایش بی نظمی و آنتروپی است و در نتیجه اطلاعاتی که قبلا برای مکان یابی هر کودک داشتید، در شرایط رها کردنشان در حیاط بازی، به درد نمی خورد. پندری ادامه داد: اگر زمان برگشت پذیر باشد، این بدان معناست که شما بی نظمی و آنتروپی ایجاد نمی کنید؛ حتی اگر به نظر برسد که در حال ایجاد آن هستید. به مثال حیاط مدرسه و بچه ها برگردیم، گرچه بچه ها در حیاط مدرسه می دوند و بازی می نمایند ولی می دانند که وقتی زنگ سرگرمی تمام شد، به چه ترتیب باید صف کشیده و به کلاس درس برگردند. در نتیجه هیچ بی نظمی ای ایجاد نشده و اطلاعاتی از دست نرفته است.

• موشک های اسپیس ایکس آسمان را به هم ریختند

• این گوشی عجیب آمده تا به سلطنت اپل و سامسونگ سرانجام دهد

بازتاب فراتر از تنها پدیده نوری ای است که در حوزه زمان دریافت می شود. در ماه آوریل پندری و تیمی از محققان، از جمله ریکاردو ساپینزا از امپریال کالج لندن، یک آنالوگ حوزه زمان از آزمایش کلاسیک قرن ها پیش را به نمایش گذاشتند که نقشی کلیدی در ایجاد دوگانگی موج-ذره نور داشت. این کار اولین بار در سال 1801 به وسیله فیزیکدانی به نام توماس یانگ انجام شد و آزمایش دوشکاف شواهد انکارناپذیری از ماهیت موج مانند نور را ارائه کرد که دانشمندان در مواجهه با شواهد بعدی برای نور به عنوان یک ذره، تنها توانستند به این نتیجه برسند که هر دو توصیف کاربردی هستند.

طبق گفته دکتر انقطاع، آنچه این تجربیات را هیجان انگیز می نماید،آزمایش هایی است که زمان و مکان در جلوه های نوری مبادله می نمایند. او در این رابطه گفت:اینها ویژگی های هیجان انگیز و نوی هستند که می توانیم آنها در فیزیک برهم کنش نور- ماده پیدا کنیم و به وفور هم وجود دارند.

پندری شرح داده که کاوش های زمانی او و همکارانش درمورد فرامواد، چطور چیزهای بسیار عجیبی را آشکار نموده؛ از جمله چیزی که آنها آن را کمپرسور فوتونیک نامیده اند. کمپرسور فوتونیک پندری یک فراماده است که مناطقی با خواص نوری مختلفی دارد که بر سرعت انتشار نور تاثیرگذار هستند. این نوارها قابل تنظیم هستند و نوعی ویژگی تغییرگریز را تشکیل می دهند. زمانی که این متاگراسیون (متاگریزی) در کنار نور به وسیله فراماده حرکت می نماید، می تواند فوتون ها را به دام انداخته و آنها را به شکل موثری فشرده کند. به علاوه تحقیقات بیشتر نشان داده که این نوع کمپرسور فوتونیک ویژگی های مشترکی با سیاه چاله ها دارد و به طور بالقوه یک آنالوگ در مقیاس آزمایشگاهی قابل کنترل تری برای مطالعه آن اجرام نجومی شدید ارائه می نماید. با گشوده شدن یک بعد زمانی کاملا نو برای فرامواد، آنالوگ های سیاه چاله های فشرده نماینده فوتون تنها یک راه از پدیده های عجیبی است که می توان در آن به جستجو پرداخت و در این بین احتمالات زیادی مطرح است.

منبع: scientificamerican

5858