طبق نظریه جدید، زمان سه بُعد دارد

اگر می‌توانستید سریع‌تر از نور حرکت کنید، جهان چه شکلی به نظر می‌رسید؟ پاسخ این پرسش شاید توضیحی شگفت‌انگیز برای برخی از معماهای مکانیک کوانتومی ارائه دهد.

جهان ما بر اساس مجموعه‌ای از قوانین عمل می‌کند که از شاخه‌های گوناگون فیزیک سرچشمه می‌گیرند. با این حال، گاهی این قوانین با یکدیگر سازگار به نظر نمی‌رسند یا کاملاً با هم تطابق ندارند. در موارد دیگر نیز برخی قوانین بدون توضیح روشنی ظاهر می‌شوند و مشخص نیست چرا باید طبیعت از چنین قواعدی پیروی کند.

نظریه نسبیت خاص آلبرت اینشتین یکی از چارچوب‌هایی است که به ما در درک ساختار جهان کمک می‌کند. بر اساس این نظریه، زمان و فضا در یک ساختار چهار بُعدی به نام فضا-زمان به یکدیگر پیوند خورده‌اند؛ ساختاری که سه بُعد فضایی و یک بُعد زمانی دارد. زمان ویژگی متفاوتی دارد، زیرا برخلاف ابعاد فضایی که می‌توانیم در آن‌ها آزادانه به هر جهت حرکت کنیم، فقط در جهت آینده پیش می‌رویم. نسبیت خاص همچنین می‌گوید سرعت حرکت در فضا-زمان نمی‌تواند از سرعت نور بیشتر شود؛ سرعتی که بیش از ۱۸۶ هزار مایل در ثانیه، یعنی حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه است.

دنیای عجیب مکانیک کوانتومی

در سوی دیگر، مکانیک کوانتومی قوانینی را برای توصیف رفتار سامانه‌های زیراتمی، یعنی ذراتی کوچک‌تر از اتم، در اختیار ما می‌گذارد. این قوانین بسیار عجیب‌اند. برای نمونه، در مکانیک کوانتومی یک ذره می‌تواند به‌گونه‌ای توصیف شود که گویی هم‌زمان در چند مکان قرار دارد و ما هیچ‌گاه نمی‌توانیم با قطعیت کامل تعیین کنیم ذره در نهایت کجا ظاهر خواهد شد.

برای توصیف چنین رفتارهایی حتی زبان مفهومی ویژه‌ای با عنوان دوگانگی موج و ذره شکل گرفته است. در این دیدگاه، ذرات الزاماً اجسام کوچکی با موقعیت مشخص نیستند، بلکه می‌توان آن‌ها را به صورت موج‌های احتمال در نظر گرفت که در فضا گسترده می‌شوند. هرجا دامنه این موج بیشتر باشد، احتمال یافتن ذره هنگام اندازه‌گیری بعدی بالاتر است و در نقاطی که موج به کمینه خود می‌رسد، احتمال مشاهده ذره کاهش پیدا می‌کند.

قوانین مکانیک کوانتومی همچنین رفتارهایی ظاهراً متناقض مانند درهم‌تنیدگی کوانتومی را مجاز می‌دانند. در این پدیده، یک ذره می‌تواند با ذره دیگری ارتباطی داشته باشد که نتیجه اندازه‌گیری یکی از آن‌ها با وضعیت دیگری ارتباط فوری پیدا می‌کند؛ رفتاری که در نگاه نخست با محدودیت سرعت نور در نسبیت خاص ناسازگار به نظر می‌رسد.

اگر حرکت سریع‌تر از نور ممکن بود

پژوهشگرانی از دانشگاه‌های ورشو و آکسفورد برای بررسی این مسائل، در مقاله‌ای که سال ۲۰۲۲ منتشر کردند، پرسشی متفاوت را مطرح کردند

اگر امکان حرکت سریع‌تر از نور وجود داشت، جهان چگونه به نظر می‌رسید؟

در نسبیت خاص، جسمی که با سرعتی کمتر از نور حرکت می‌کند نمی‌تواند با شتاب گرفتن به سرعت نور برسد و سپس از آن عبور کند. با این حال، همین چارچوب نظری حالت معکوسی را نیز در نظر می‌گیرد؛ یعنی جسمی که از ابتدا با سرعتی بیشتر از نور حرکت می‌کند و در این وضعیت نمی‌تواند با کاهش سرعت، به محدوده پایین‌تر از سرعت نور وارد شود.

بر اساس دیدگاه این پژوهشگران، برای ناظری که از ابتدا با سرعتی فراتر از نور حرکت می‌کند، رابطه میان زمان و فضا شکل متفاوتی پیدا خواهد کرد. به جای سه بُعد فضایی و یک بُعد زمانی، چنین ناظری سه بُعد زمانی و تنها یک بُعد فضایی را تجربه می‌کند.

این تغییر به معنای آن است که ذرات می‌توانند بیش از یک مسیر را به‌طور هم‌زمان دنبال کنند. در نتیجه، از دیدگاه چنین چارچوبی، یک ذره می‌تواند هم‌زمان به سوی بیش از یک آینده حرکت کند.

ارتباط این ایده با مکانیک کوانتومی

از دیدگاه معمول ما که با سرعتی کمتر از نور حرکت می‌کنیم، اجسامی که سرعتشان از نور بیشتر است دیگر رفتاری شبیه ذرات عادی ندارند و بیشتر به صورت موج دیده می‌شوند.

برای تصور این موضوع می‌توان یک توپ بیسبال را در نظر گرفت. اگر توپ را پرتاب کنید، مسیر مشخصی را طی می‌کند. اما اگر همان توپ به سطح یک برکه برخورد کند، موج‌های ایجادشده در آب می‌توانند هم‌زمان در جهت‌های مختلف گسترش پیدا کنند.

پژوهشگران معتقدند این تغییر در زاویه دید می‌تواند راهی برای توضیح برخی از ویژگی‌های عجیب مکانیک کوانتومی فراهم کند. پدیده‌هایی مانند درهم‌تنیدگی کوانتومی، احتمال‌های تصادفی، دوگانگی موج و ذره و دیگر نتایج غیرعادی مکانیک کوانتومی، در این چارچوب می‌توانند پیامد طبیعی دیدگاهی باشند که در آن حرکت سریع‌تر از نور در نظر گرفته شده است.

در چنین تفسیری، این قوانین دیگر صرفاً اصولی نیستند که بدون توضیح مشخص در مکانیک کوانتومی ظاهر شده باشند؛ بلکه ممکن است دلیل بنیادی‌تری پشت آن‌ها وجود داشته باشد.

نقش میدان‌ها و ذرات فرضی

پژوهشگران همچنین اشاره می‌کنند که در این چارچوب، مفهوم معمول ذره اساساً از بین می‌رود. در عوض، باید از میدان‌ها صحبت کرد؛ میدان‌هایی که به شکل موج در سراسر فضا و زمان گسترده‌اند.

آن‌ها یادآور می‌شوند که بسیاری از نظریه‌های فیزیک، به‌ویژه نظریاتی که به فیزیک بنیادی در مراحل بسیار ابتدایی شکل‌گیری جهان مربوط می‌شوند، از همین حالا نیز از میدان‌هایی با ویژگی‌های سریع‌تر از نور استفاده می‌کنند.

با این حال، هنوز مشخص نیست ذرات فرضی موسوم به تاکیون‌ها واقعاً می‌توانند سریع‌تر از نور حرکت کنند یا نه. وجود چنین ذراتی می‌تواند مفاهیم بنیادی جهان، از جمله علیت و روند آشنای حرکت از گذشته به آینده، را به‌شدت تحت تأثیر قرار دهد.

از سوی دیگر، مکانیک کوانتومی نیز پیشاپیش بسیاری از همین برداشت‌های شهودی درباره علیت، زمان و آینده را به چالش کشیده است. بنابراین این احتمال مطرح می‌شود که جهان اساساً بر پایه قواعدی غیرشهودی‌تر از آنچه در تجربه روزمره می‌بینیم عمل کند و شاید تنها به چارچوب نظری متفاوتی نیاز داشته باشیم تا ارتباط میان این پدیده‌ها را بهتر درک کنیم.

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