پدیده «زمان منفی» در آزمایش‌های جدید کوانتومی مشاهده شد

1

دانشمندان به‌خوبی می‌دانند که نور گاهی به‌نظر می‌رسد پیش از ورود به یک ماده، از آن خارج می‌شود. این پدیده عجیب «زمان منفی» مدتی طولانی به‌عنوان یک توهم ناشی از نحوه تغییر امواج توسط ماده تلقی می‌شد.

با گذشت زمان، بسیاری این پدیده را به‌عنوان یک ویژگی بی‌ضرر فیزیک نادیده گرفتند و تحقیقات بیشتری در این زمینه انجام نشد. اما اکنون، آزمایش‌های تازه نشان می‌دهند که این رفتار ممکن است با مفاهیمی عمیق‌تر درباره «زمان منفی» مرتبط باشد.

پژوهشگران به‌تازگی یافته‌های خود را در پلتفرم پیش‌چاپ arXiv منتشر کرده‌اند که توجهات جهانی و البته برخی تردیدها را در خصوص معنای این تحقیقات برانگیخته است.

«زمان منفی» دیگر صرفاً نظری نیست

افرایم استاینبرگ، استاد فیزیک کوانتومی تجربی در دانشگاه تورنتو، تجربه کرده که چطور مباحث درباره زمان منفی ممکن است بد تعبیر شوند.

او می‌گوید: «این موضوع حتی برای ما که با سایر فیزیکدانان صحبت می‌کنیم، سخت است. ما مدام اشتباه فهمیده می‌شویم.» تیم او بر این باور است که زمان منفی دیگر فقط یک ایده نظری نیست، بلکه می‌تواند به‌صورت قابل اندازه‌گیری وجود داشته باشد.

آن‌ها با احتیاط درباره آزمایش‌های خود توضیح می‌دهند و تأکید می‌کنند که نتایج، اثری ظریف در مکانیک کوانتومی را نشان می‌دهد.

استاینبرگ توضیح می‌دهد: «این زمان منفی بود.» داده‌های آن‌ها نشان‌دهنده تعاملات عجیبی بین نور و ماده است که فرضیات روزمره را به چالش می‌کشد.

ویژگی‌های عجیب کوانتومی

آزمایشگاه زیرزمینی آن‌ها پر از آینه‌ها، سیم‌ها و لیزرهای حساسی است که تعامل فوتون‌ها با اتم‌ها را دنبال می‌کنند.

اتم‌ها گاهی فوتون‌ها را جذب کرده و بعداً آن‌ها را ساطع می‌کنند و در این فرآیند برای مدتی کوتاه در حالت برانگیخته باقی می‌مانند. اندازه‌گیری این بازه زمانی دشوار بود و به‌نظر بسیاری ممکن بود به مرزهای غیرممکن نزدیک شود.

استاینبرگ و دانشجوی کارشناسی ارشد او، دانیلا آنگولو، بر بازه زمانی کوتاه باقی‌ماندن اتم‌ها در حالت برانگیخته تمرکز کردند. با جمع‌آوری داده‌هایی درباره نحوه ساطع‌کردن نور جذب‌شده توسط اتم‌ها، به بازه‌هایی برخوردند که کمتر از صفر به‌نظر می‌رسیدند.

او می‌گوید: «نمی‌خواهیم بگوییم چیزی به عقب در زمان سفر کرده است؛ این یک تفسیر غلط است.»

«زمان منفی» قوانین واقعیت را نقض نمی‌کند

تحقیقات در حوزه پدیده‌های کوانتومی اغلب نگرانی‌هایی درباره تعارض با نظریه نسبیت خاص اینشتین ایجاد می‌کند.

اما هیچ‌چیز در این آزمایش‌ها نشان نمی‌دهد که شیئی می‌تواند از نور پیشی بگیرد. فوتون‌ها اطلاعاتی را سریع‌تر از قوانین فیزیکی منتقل نمی‌کنند، بنابراین هیچ تعارضی با اصول پذیرفته‌شده وجود ندارد.

برخی افراد می‌پرسند که آیا نام‌گذاری این بازه زمانی به‌عنوان «زمان منفی» ممکن است باعث سردرگمی شود.

تیم پژوهشی می‌داند که این زبان ممکن است غیرواقعی به‌نظر برسد، اما معتقد است که این اصطلاح ماهیت غیرعادی اندازه‌گیری‌های کوانتومی را که از انتظارات معمول دور هستند، نشان می‌دهد.

فوتون‌ها و احتمالات

فوتون‌ها شخصیت دوگانه‌ای دارند؛ گاهی مانند ذرات رفتار می‌کنند و گاهی همچون موج‌ها.

آن‌ها از قوانین احتمالات پیروی می‌کنند که به آن‌ها اجازه می‌دهد در چندین حالت به‌طور هم‌زمان ظاهر شوند و طیفی از نتایج ممکن را ایجاد کنند. این عدم قطعیت، مفهومی اساسی را پشتیبانی می‌کند که رویدادها همیشه در یک خط زمانی منظم جای نمی‌گیرند.

در شرایط معمول، فوتون‌ها از موادی عبور می‌کنند که با فیزیک تثبیت‌شده سازگار است.

اما در آزمایش‌های این گروه، برخی اندازه‌گیری‌ها نتایجی تولید کردند که وارد قلمرویی شدند که اکثر افراد هرگز پیش‌بینی نمی‌کنند.

واکنش‌ها و تردیدها

این مفهوم توجه بسیاری از جمله فیزیکدان نظری آلمانی، سابینه هوسنفدر، را به خود جلب کرده است که همچنان قانع نشده است.

او در یک ویدیوی یوتیوب با بیش از ۲۵۰ هزار بازدید گفت: «زمان منفی در این آزمایش هیچ ارتباطی با گذر زمان ندارد؛ بلکه فقط روشی برای توصیف نحوه حرکت فوتون‌ها در یک محیط و تغییر فازهای آن‌ها است.»

برخی ناظران معتقدند که اصطلاح زمان منفی بیش‌ازحد اغراق‌آمیز است و دامنه این مطالعه را نادرست نشان می‌دهد. دیگران می‌گویند رویکرد جدید می‌تواند مکالمات عمیق‌تری درباره نحوه وقوع فرآیندهای کوانتومی ایجاد کند.

پژوهشگران تأکید می‌کنند که آن‌ها قصد بازنویسی قوانین فیزیک را ندارند، بلکه تلاش دارند بر ویژگی‌های عجیب آزمایش‌های اساسی تأکید کنند.

گام‌های بعدی در مطالعات «زمان منفی»

استاینبرگ می‌گوید: «ما انتخاب خود را درباره نحوه توصیف نتایج کرده‌ایم.» او افزود که درحالی‌که کاربردهای عملی هنوز در دسترس نیستند، این یافته‌ها مسیرهای جدیدی برای بررسی پدیده‌های کوانتومی باز می‌کند.

وی اذعان کرد که بسیاری هنوز تردید دارند، اما تأکید کرد که اعداد و داده‌ها خود گویای موضوع هستند. هیچ انتقاد جدی‌ای داده‌های خام آن‌ها را به چالش نکشیده است.

او صادقانه گفت: «فعلاً نمی‌توانم مسیری از آنچه مطالعه کرده‌ایم به سوی کاربردهای عملی پیدا کنم. اما همچنان به بررسی آن ادامه می‌دهیم و نمی‌خواهیم امید واهی بدهیم.»

اینکه ایده زمان منفی به چیزی با استفاده‌های روزمره تبدیل شود یا نه، هنوز مشخص نیست. بااین‌حال، کنجکاوی برانگیخته‌شده درباره آن دشوار است نادیده گرفته شود.

نتیجه‌گیری

درمجموع، فیزیک کوانتومی همیشه مرزها را جابه‌جا کرده و محققان را وادار به تعدیل فرضیات قدیمی کرده است.

این آزمایش‌ها که توسط تیم دانشگاه تورنتو انجام شده‌اند، یادآور دیگری از این موضوع هستند که دنیا همیشه مطابق شهود رایج رفتار نمی‌کند. بااین‌حال، آن‌ها تأکید دارند که هیچ ادعایی درباره سفر در زمان مطرح نیست.

با ارائه شواهدی مبنی بر اینکه چیزی می‌تواند کمتر از صفر اندازه‌گیری شود، این پژوهشگران انتظارات درباره نحوه تعامل نور و ماده را به چالش کشیده‌اند.

فعلاً این معما موضوعی برای بحث باقی می‌ماند. حل این معما ممکن است به مطالعات بیشتری نیاز داشته باشد، اما بسیاری توافق دارند که بررسی چنین احتمالات عجیبی بخشی از تلاش مداوم برای درک واقعیت کوانتومی است.

نتایج نشان می‌دهند که آزمایش‌ها می‌توانند نتایجی تولید کنند که با تفکر متعارف متفاوت باشند. بازه‌های زمانی منفی در جذب، همچنان بخش جذابی از یک معمای بسیار گسترده‌تر باقی مانده‌اند.

دانشمندان به اصلاح آزمایش‌ها و ارزیابی توضیحات جایگزین ادامه می‌دهند. باوجود پرسش‌های باقی‌مانده، این پروژه یادآور دیگری است که رفتار کوانتومی می‌تواند کاملاً عجیب به‌نظر برسد، به زبان ساده.

مطالعه کامل در نشریه arXiv منتشر شده است.