زمان یکهتازانه، بی آنکه مکثی کند یا نگاهی به پشت بیندازد رو به جلو در حرکت است. دست کم برداشت ما از زمان چنین است. تخم مرغ شکستهشده، درست نمیشود و شیر ریختهشده به درون بطری بازنمیگردد. هرچند که این پدیدهها در شهود ما بدیهی به نظر میرسند، اما هیچوقت فیزیک دربارهی زمان نظر قطعی نداشتهاست. بیشتر قوانین فیزیک چه در سیستمهای درشتنمود و چه خُرد، در زمان متقارن هستند. یعنی این قوانین قیدی را بر یکطرفه بودن جهت زمان نمیگذارند و علت این پدیده هنوز موضوع بحث فیزیکدانان نظری و فیلسوفان است. اکنون گروهی از فیزیکدانان نظری روشی را یافتهاند که میتوانند جهت زمان را در سیستمهای کوانتومی تغییر دهند.
اندیشهی تغییر جهت زمان در میان فیزیکدانان اندیشهی چندان جدیدی نیست. در قرن نوزدهم کلرک ماکسول1 آزمایشی فکری طراحی کرد که در پی آن قانون دوم ترمودینامیک، که بیان میدارد آنتروپی (معیاری از احتمال و بینظمی) کل یک سیستم همیشه رو به افزایش است، را معکوس میشود. بنابر این قانون، گرما همیشه از جسم (یا سیستم) گرمتر به جسم سردتر جریان پیدا میکند. به سبب این جریان گرما آنتروپی جسم سردتر افزایش پیدا میکند. احتمالا همگی ما این اصل را به سادگی با در دست گرفتن یک لیوان چای داغ در یک عصر زمستانی تجربه کردهایم. سرعت ذرات در این اجسام یک توزیع تصادفی دارد، یعنی هم در جسم سرد و هم گرم، تعدادی از ذرات با سرعت بیشتر، و تعدادی با سرعت کمتر در حرکت هستند. در این آزمایش فکری، «شبح ماکسول2» با داشتن اطلاعات کافی از سرعت حرکت هر یک از ذرات (اطلاعات میکروسکوپی)، ذرات با سرعت بیشتر را در جسم گرم، و ذرات با سرعت کمتر را در جسم سرد جمع میکند. بدینترتیب جسم گرم، گرمتر و جسم سرد، سردتر خواهد شد. از نگاه یک ناظر بیرونی، این به مثابه معکوس شدن نظم طبیعی فرایندهاست. انگار که لیوان چای داغ، گرما را از دستان سرد شما بیرون میکشد.
همگی میدانیم که خبری از شبح ماکسول در لیوانهای چایمان نیست. اما زیر پوست سیستمهای کوانتومی جدا از اتمها و الکترونها و قوانین کوانتومی که میشناسیم، چیز دیگری در کار است. میدانیم که عمل اندازهگیری، سیستمهای کوانتومی را تغییر میدهد. پیش از اندازهگیری، یک سیستم کوانتومی میتواند در چندین حالت متفاوت، که به آن ترکیب خطی میگوییم، وجود داشتهباشد. اما اندازهگیری سیستم را به یکی از آن حالتها کاهش میدهد. یعنی عمل اندازهگیری به تمامی ماهیت سیستم کوانتومی را دستخوش تغییر میکند. مسئلهی اندازهگیری شاید بزرگترین مسئلهی حل نشده در حوزهی مکانیک کوانتومی باشد. در این دستاورد جدید، پس از اندازهگیریهای متعدد، فیزیکدانان با دانستن حالت اولیهی سیستم و نتیجهی اندازهگیریها، تمام مسیرهای تصادفی رسیدن به نتیجه را با شبیهسازی کامپیوتری محاسبه میکنند. سپس با استفاده از این مسیرها، دینامیک برگشتی را طراحی و کنترل میکنند (با ساخت هامیلتونی متناسب با مسیرهای بدست آمده). این دینامیک کنترل به مانند ایجاد پالسها و میدانهاییست که بلافاصله سیستم را به حالت اولیهی خود برمیگردانند. مجموعهی این فرایندها به مانند شبح ماکسول، با داشتن اطلاعات، یک فرایند برگشتناپذیر را به حالت اولیهی خود برگردانده و از نقطهنظر یک ناظر بیرونی، این فرایند به معنی بازآفرینی زمان در جهت معکوس است. این روش موجب میشود بتوانیم انرژی را که صرف اندازهگیری شدهاست، از سیستم استخراج کرده و در یک باتری ذخیره کنیم. شاید این دستاورد راه را برای بازگرداندن اثرات محیطی بر سیستمهای کوانتومی، که در فرآیندی برگشتناپذیر اثرات کوانتومی سیستم را از بین میبرند، نیز باز کند.
شکل 1: مجموعهی فرایندهای انجامشده (اندازهگیریهای متعدد و شبیهسازیهای کامپیوتری بر اساس دانستن حالت اولیه سیستم و نتیجه اندازهگیریها) به مانند شبح ماکسول، با داشتن اطلاعات، یک فرایند برگشتناپذیر را به حالت اولیهی خود برگردانده و از نقطهنظر یک ناظر بیرونی، این فرایند به معنی بازآفرینی زمان در جهت معکوس است.
در عمل اما بازدهی این فرایند بسیار پایین و در حدود پنجاه درصد است. برای شبیهسازی فرآیند و برگرداندن آن نیاز به اندازهگیری کاملا دقیق است و اندکی عدم قطعیت در اندازهگیری، بازده فرآیند نهایی را پس از اندازهگیریهای متعدد، کاهش چشمگیر میدهد. با از دست رفتن این اطلاعات، بخشی از تحول سیستم کوانتومی از دست میرود و امکان بازآفرینی حالت اولیه به شدت کاهش مییابد. آیا این نشت اطلاعات نیز همچون قانون دوم ترمودینامیک خود یک محدودیت ذاتیست یا با پیشرفت فناوری میتوان از این محدودیت گذر کرد؟
منابع
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/l18s-9vmh