دانشمندان می‌گویند سفر در زمان شاید واقعیت را نقض نکند

دانشمندان هنوز نتوانسته‌اند امکان سفر در زمان را اثبات نمایند، اما اصول اساسی آن را با استفاده از آزمایش‌های کوانتومی و مدل‌های ریاضی بررسی می‌کنند. در این پژوهش‌ها مفاهیمی مانند درهم‌تنیدگی کوانتومی، منحنی‌های زمان‌مانند بسته و علیت پس‌رونده مورد توجه قرار گرفته‌اند.

نتایج برخی تحقیقات نشان می‌دهد که شاید بتوان در شرایط خاص از پارادوکس‌های سفر در زمان جلوگیری کرد؛ برای نمونه، اگر خط‌های زمانی به شاخه‌های جداگانه تقسیم شوند یا آنتروپی جهت معکوس پیدا کند. احتمال دیگری نیز مطرح است: شاید کل جهان در تمام زمان‌ها به‌صورت یک ساختار واحد وجود داشته باشد.

احتمالاً این داستان را قبلاً شنیده‌اید. تصور کنید ماشین زمانی بسازید، به گذشته بروید و پدربزرگ خود را پیش از تولد والدینتان بکشید. در این صورت چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ آیا خودتان از هستی محو می‌شوید، چون دیگر هرگز ماشین زمان را نساخته‌اید و به گذشته نرفته‌اید؟ در چنین حالتی یک حلقه غیرممکن شکل می‌گیرد.

این همان پارادوکس پدربزرگ است؛ یکی از مشهورترین معماهای مطرح‌شده درباره سفر در زمان. این پارادوکس تنها یکی از سناریوهایی است که می‌پرسند اگر سفر در زمان واقعاً امکان‌پذیر باشد، در موقعیت‌های ظاهراً غیرمنطقی چه رخ خواهد داد. بسیاری از این موارد صرفاً آزمایش‌های ذهنی سرگرم‌کننده هستند، اما برخی دیگر را می‌توان دست‌کم از نظر ریاضی یا حتی در سطح آزمایشگاهی بررسی کرد. اهمیت این نتایج در آن است که شاید سرنخ‌هایی تازه درباره ماهیت زمان در اختیار دانشمندان بگذارند، هرچند لزوماً ثابت نمی‌کنند که انسان می‌تواند واقعاً در زمان سفر کند.

لورنتسو گاواسینو، فیزیک‌دان ریاضی دانشگاه کمبریج در بریتانیا، گفت

نباید تصور کنیم سفر در زمان غیرممکن است، تنها به این دلیل که به پارادوکس منجر می‌شود. مسئله این است که جهان معمولاً پیش از رسیدن به چنین مرحله‌ای دچار فروپاشی می‌شود.

به باور او، ممکن است خود جهان راه‌هایی برای جلوگیری از وقوع چنین رویدادی پیدا کند؛ برای مثال، پیش از آنکه سفر در زمان رخ دهد، یک تکینگی شکل بگیرد و مانع ادامه فرایند شود. دانشمندان چند شیوه فرضی برای سفر در زمان در نظر گرفته‌اند. یکی از آنها به نظریه جهان‌های متعدد مربوط می‌شود که بر اساس آن، جهان ما می‌تواند به خط‌های زمانی موازی تقسیم شود. در این برداشت، بازگشت به گذشته موجب شکل‌گیری یک خط زمانی جدید خواهد شد. بنابراین اگر کسی به گذشته برود و پدربزرگش را بکشد، واقعیت وارد شاخه‌ای تازه می‌شود و در نتیجه پارادوکس مستقیمی شکل نمی‌گیرد.

ایده شناخته‌شده‌تر درباره سفر در زمان، حرکت در امتداد نوعی حلقه علّی در فضا-زمان است که معمولاً منحنی زمان‌مانند بسته نامیده می‌شود. این مفهوم از نظریه نسبیت عام اینشتین سرچشمه می‌گیرد. بر اساس این نظریه، از نظر ریاضی امکان مسیری در فضا-زمان وجود دارد که فرد را دوباره به نقطه آغازین خود در فضا و همچنین زمان بازگرداند و او را به مرحله‌ای زودتر از زندگی‌اش برساند.

نیکول یونگر هالپرن، فیزیک‌دان نظری در مؤسسه ملی استانداردها و فناوری آمریکا، گفت

منحنی زمان‌مانند بسته، مسیری در فضا-زمان است که در بُعد زمان به خودش بازمی‌گردد. یک ذره که روی چنین منحنی‌ای حرکت کند، ممکن است با نسخه‌ای از خودش در گذشته روبه‌رو شود.

وجود چنین مسیرهایی پرسش‌های متناقضی ایجاد می‌کند. اگر بتوانید مانع تولد خودتان شوید، همان پارادوکس پدربزرگ رخ خواهد داد. در آن صورت آیا اصلاً سفری را آغاز می‌کردید؟ سناریوی دیگری را تصور نمایید: دفترچه‌ای از نسخه آینده خود دریافت می‌کنید که روش سفر در زمان را توضیح داده. سپس همان دفترچه را به نسخه جوان‌تر خود می‌دهید. پرسش اینجاست که دفترچه در اصل از کجا آمده است؟ این اطلاعات ظاهراً هیچ منشأ مشخصی ندارد و چنین وضعیتی پارادوکس بوت‌استرپ نامیده می‌شود.

سناریوی دیگری هم وجود دارد. تصور کنید به گذشته برمی‌گردید تا مانع وقوع یک تصادف برای خودتان شوید، اما تلاش شما در نهایت همان تصادف را رقم می‌زند. این وضعیت پارادوکس تقدیر نام دارد. اگر تلاش شما برای تغییر گذشته خودش علت رخ دادن آن رویداد بوده باشد، آیا معنایش این است که گذشته اساساً قابلیت تغییر ندارد؟ در موضوع سفر در زمان، پرسش‌ها و احتمال‌های تازه ظاهراً پایانی ندارند. با این حال، این ایده‌ها که عمدتاً جنبه نظری دارند، تا حدی قابل آزمایش‌اند؛ به‌ویژه در قلمرو فیزیک کوانتومی.

آزمایش‌های کوانتومی و شکستن ترتیب زمانی

کاتر مورچ، فیزیک‌دان دانشگاه کالیفرنیا در برکلی، برای بررسی منحنی‌های زمان‌مانند بسته دست به آزمایش‌هایی زده است. او از ویژگی عجیب درهم‌تنیدگی کوانتومی استفاده می‌کند؛ پدیده‌ای که در آن دو ذره کوانتومی حتی پس از جدا شدن نیز یک حالت مشترک دارند.

مورچ گفت

می‌توان مدارهای مشخصی از درهم‌تنیدگی ساخت که این منحنی‌های زمان‌مانند بسته را شبیه‌سازی کنند. اگر بتوانیم سفر در زمان را شبیه‌سازی کنیم، آیا راهی وجود دارد که بتوان از آن برای انجام کاری مفید بهره گرفت؟

یکی از آزمایش‌های مورچ که در سال ۲۰۲۴ منتشر شد، از مشاهده یک شهاب در آسمان الهام گرفت. او با خود فکر کرد آیا می‌توان دوربینی داشت که پس از وقوع رویداد، تصویری از شهاب ثبت کند؟ مورچ گفت

مکانیک کوانتومی شرایط خاصی ایجاد می‌کند که چنین کاری را ممکن می‌سازد؛ به این معنا که می‌توان جهت‌گیری یک حسگر را با نگاه به گذشته تعیین کرد.

تیم او در این آزمایش دو کیوبیت را با یکدیگر درهم‌تنیده کرد. کیوبیت‌ها مدارهای الکتریکی بسیار کوچکی از جنس ابررسانا هستند که رفتار کوانتومی نشان می‌دهند. یکی از این دو کیوبیت نقش حسگر را بر عهده داشت. هنگامی که حسگر در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گرفت، اسپین آن تغییر می‌کرد و شدت میدان را ثبت می‌کرد.

اندازه این تغییر به جهت قرارگیری اسپین حسگر نسبت به میدان مغناطیسی وابسته بود. پژوهشگران نشان دادند که اگر کیوبیت دوم را بعداً اندازه‌گیری کنند، می‌توانند جهت‌گیری حسگر را در گذشته تغییر دهند. این وضعیت به‌گونه‌ای به نظر می‌رسید که گویی اطلاعات مربوط به جهت مناسب حسگر در زمان به عقب حرکت کرده و به لحظه‌ای رسیده است که دو کیوبیت با یکدیگر درهم‌تنیده شده بودند.

مورچ گفت

این تا حدی همان جادوی درهم‌تنیدگی است. اگر روی یکی از آنها کاری انجام دهم، آن کار بر دیگری در گذشته و آینده اثر می‌گذارد. بنابراین درهم‌تنیدگی به ما اجازه می‌دهد به شکلی که از نظر ریاضی معادل است، ترتیب زمانی را نقض کنیم.

البته در این آزمایش واقعاً کسی به گذشته سفر نکرد. با این حال، پژوهش انجام‌شده اصولی مشابه پارادوکس بوت‌استرپ را نشان داد. مورچ گفت

این به آن معنا نیست که می‌توان اطلاعات را به گذشته فرستاد. اما در برخی شرایط می‌توان جهت‌گیری حسگر را در گذشته تغییر داد.

آیا زمان واقعاً وجود دارد؟

احتمال دیگری نیز مطرح است: شاید زمانی که ما می‌شناسیم، اساساً وجود مستقل و بنیادی نداشته باشد.

منحنی‌های زمان‌مانند بسته از نظر نظری ویژگی‌های عجیب متعددی دارند. یکی از آنها سناریویی است که در آن یک ذره کوانتومی در امتداد این منحنی حرکت می‌کند، در حالی که ذره درهم‌تنیده دیگر بیرون از آن باقی می‌ماند. حال اگر ذره‌ای که روی منحنی حرکت کرده با نسخه جوان‌تر خودش روبه‌رو شود، چه اتفاقی خواهد افتاد؟

ولاتکو ودرال، دانشمند حوزه کوانتوم در دانشگاه آکسفورد، می‌گوید این مسئله را می‌توان با در نظر گرفتن درهم‌تنیدگی نه‌تنها در فضا، بلکه در طول زمان نیز حل کرد. این مفهوم درهم‌تنیدگی زمانی نام دارد و او نشان داده است که از نظر ریاضی امکان‌پذیر است. در این حالت، ذره‌ای که بیرون از منحنی قرار دارد، با هر دو نسخه ذره‌ای که درون منحنی قرار گرفته‌اند، درهم‌تنیده خواهد بود.

این ایده شاید بتواند به حل مسئله دیگری به نام پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله نیز کمک کند؛ مسئله‌ای که استیون هاوکینگ فقید مطرح کرده بود. این پارادوکس به این موضوع می‌پردازد که سیاه‌چاله‌ها می‌توانند تابش منتشر نمایند، اما ظاهراً اطلاعات مربوط به چیزهایی را که وارد آنها شده‌اند، در خود حفظ نمی‌کنند.

ودرال گفت

شاید تبخیر سیاه‌چاله را بتوان فرایندی دانست که درهم‌تنیدگی فضایی را به درهم‌تنیدگی زمانی تبدیل می‌کند. در این برداشت، ذرات درهم‌تنیده‌ای که بیرون سیاه‌چاله باقی می‌مانند می‌توانند اطلاعات را حفظ کنند و از شکل‌گیری پارادوکس جلوگیری شود؛ در نتیجه اطلاعات امکان خروج پیدا می‌کند.

امی آدلام، استادیار فلسفه مکانیک کوانتومی در دانشگاه چاپمن، روی ایده متفاوتی به نام علیت پس‌رونده تحقیق کرده است. در این دیدگاه، یک رویداد در آینده می‌تواند بر رویدادی در گذشته اثر بگذارد.

آدلام گفت

بیشتر اوقات انتظار داریم رابطه علت و معلول از گذشته به سوی آینده حرکت کند. اما به‌ویژه در مکانیک کوانتومی، این احتمال وجود دارد که برخی ویژگی‌ها بهتر با نوعی علیت توضیح داده شوند که در جهت مخالف زمان حرکت می‌کند.

آدلام در مقاله‌ای که سال ۲۰۲۲ منتشر کرد، مدل دیگری را نیز مطرح نمود که می‌توان آن را مدل جهان همه‌چیز-در-یک-لحظه دانست. در این تصویر، کل جهان ممکن است همچون یک ساختار کامل در سراسر زمان وجود داشته باشد و اجزای آن مانند خانه‌های یک جدول سودوکو در کنار یکدیگر قرار گرفته باشند.

به گفته آدلام، ترکیب این مدل با مفهوم علیت پس‌رونده می‌تواند راهی برای حل پارادوکس بوت‌استرپ باشد؛ همان وضعیتی که فردی به گذشته می‌رود و به شکلی ظاهراً غیرمنطقی آن را تغییر می‌دهد. در چنین چارچوبی پارادوکسی وجود نخواهد داشت، زیرا گذشته و آینده به‌طور هم‌زمان در ساختار کلی جهان رخ داده‌اند.

با این حال، آدلام معتقد است وجود رابطه‌های علّی روشن در جهان امروزی نشان می‌دهد که استفاده عملی از علیت پس‌رونده بعید است. او گفت

چون ما در شرایطی زندگی می‌کنیم که یک عدم تقارن علّی قدرتمند در یک جهت وجود دارد، می‌توان نتیجه گرفت که احتمال مشاهده تأثیرهای علّی نیرومند و قابل‌کنترل در جهت معکوس بسیار کم است.

آنتروپی و احتمال معکوس شدن زمان

راه دیگری برای بررسی گذر زمان این است که فرض کنیم روی یک منحنی زمان‌مانند بسته، آنتروپی، یعنی روند حرکت جهان از نظم به بی‌نظمی با گذشت زمان، ممکن است در نقطه‌ای جهت مخالف پیدا کند و سرانجام به وضعیت اولیه خود در آغاز منحنی بازگردد. گاواسینو در سال ۲۰۲۴ این ایده را به‌عنوان راهی برای حل برخی پارادوکس‌های سفر در زمان بررسی کرد.

گاواسینو برای توضیح این مفهوم به فیلم Groundhog Day اشاره می‌کند. در این فیلم، چرخه ۲۴ ساعته باید به شکلی دوباره از ابتدا آغاز شود. او می‌گوید می‌توان این وضعیت را به‌جای یک دوره ساده ۲۴ ساعته، به شکل معکوس شدن زمان در میانه چرخه تصور کرد.

گاواسینو گفت

فردی را در نظر بگیرید که از ساعت صفر تا ساعت ۱۲ حرکت می‌کند و تصویری وارونه از همان فرد نیز از ساعت ۲۴ به سمت ساعت ۱۲ بازمی‌گردد. این دو در جهت‌های مخالف حرکت می‌کنند.

در این برداشت، تصویر معکوس‌شده فرد، بازه زمانی ساعت ۲۴ تا ۱۲ را تجربه کرده است. بنابراین هنگامی که فرد اصلی به ساعت ۱۲ می‌رسد، به گفته گاواسینو، شاهد چیزی خواهید بود که مانند پخش معکوس ۱۲ ساعت بعدی به نظر می‌رسد. گاواسینو گفت

پس از گذشت ۲۴ ساعت، دوباره به نقطه آغاز بازمی‌گردید.

در عمل، گاواسینو احتمال می‌دهد خود جهان اجازه شکل‌گیری منحنی‌های زمان‌مانند بسته را ندهد. چنین سازوکاری نه‌تنها سفر در زمان را بسیار بعید می‌کند، بلکه از ایجاد پارادوکس‌ها نیز جلوگیری خواهد کرد.

او گفت: احتمالاً قوانین فیزیک پیش از آنکه یک منحنی زمان‌مانند بسته شکل بگیرد، از کار می‌افتند. یا شاید جهان برای جلوگیری از شکل‌گیری چنین مسیری، نوعی تکینگی ایجاد می‌کند.

از دیدگاه ودرال، احتمال دیگری نیز وجود دارد: شاید زمان آن‌گونه که ما تصور می‌کنیم واقعاً وجود نداشته باشد. ممکن است زمان صرفاً مفهومی باشد که برای توضیح جهان از آن استفاده می‌کنیم، بدون اینکه مبنایی بنیادی در ساختار جهان داشته باشد. اگر چنین باشد، اساساً پارادوکس‌های سفر در زمان نیز شکل نخواهند گرفت.

در نهایت، شاید پاسخ بسیاری از این معماها ساده‌تر باشد. ممکن است مسیرهایی در زمان وجود داشته باشند که فقط به این دلیل سازگار هستند که گذشته هرگز واقعاً تغییر نمی‌کند.

نیکول یونگر هالپرن گفت

تصور کنید به گذشته برگردید و پدربزرگتان را نکشید. در این صورت اصلاً پارادوکسی به وجود نمی‌آید، زیرا هیچ پارادوکسی نمی‌تواند واقعاً شکل بگیرد.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.