زمان در مقیاس کوانتومی: پدیده‌ای شگفت‌انگیز و چندحالته

پژوهشی بین‌المللی در مرزهای فیزیک

این پژوهش توسط تیمی بین‌المللی به رهبری ایگور پیکوفسکی، استاد فیزیک نظری در موسسه فناوری استیونز، و با همکاری گروه‌های آزمایشگاهی به سرپرستی کریستین سانر از دانشگاه ایالتی کلرادو و دیتریش لایبفرید از مؤسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) انجام شده است. این همکاری گسترده، نشان‌دهنده اهمیت و پیچیدگی این موضوع در جامعه علمی است.

زمان؛ از نسبیت تا جهان کوانتومی

در فیزیک کلاسیک و همچنین در نظریه نسبیت اینشتین، زمان یک کمیت ثابت نیست و بسته به سرعت حرکت و میدان گرانشی تغییر می‌کند. این موضوع سال‌هاست با آزمایش‌های دقیق، از جمله ساعت‌های اتمی فوق‌پیشرفته، تأیید شده است. برای مثال، یک ساعت در حال حرکت بسیار سریع در مقایسه با ساعت ساکن، کندتر زمان را ثبت می‌کند. اما زمانی که این تصویر با قوانین مکانیک کوانتومی ترکیب می‌شود، وضعیت پیچیده‌تر و حتی شگفت‌انگیزتر می‌شود.

در مکانیک کوانتومی، ذرات می‌توانند در حالت‌های مختلف به‌طور هم‌زمان وجود داشته باشند؛ پدیده‌ای که به برهم‌نهی کوانتومی معروف است. پژوهش جدید نشان می‌دهد که اگر خودِ ساعت‌ها نیز از قوانین کوانتومی پیروی کنند، ممکن است زمان اندازه‌گیری‌شده نیز در حالت‌های چندگانه قرار بگیرد. به بیان ساده‌تر، یک ساعت کوانتومی می‌تواند هم‌زمان در چند نرخ متفاوت تیک‌تاک کند؛ یعنی زمان برای آن می‌تواند هم کندتر و هم سریع‌تر در یک لحظه وجود داشته باشد.

تشبیه با گربه شرودینگر

این ایده به آزمایش ذهنی مشهور گربه شرودینگر شباهت دارد؛ جایی که یک گربه می‌تواند هم‌زمان زنده و مرده باشد تا زمانی که مشاهده شود. در اینجا نیز زمان می‌تواند در حالت‌های هم‌پوشان وجود داشته باشد؛ به‌طوری که یک ساعت هم‌زمان جوان‌تر و پیرتر به نظر برسد.

ایگور پیکوفسکی می‌گوید: «زمان در نظریه کوانتومی و نسبیت نقش‌های بسیار متفاوتی دارد. آنچه ما نشان می‌دهیم این است که ترکیب این دو چارچوب می‌تواند نشانه‌های پنهان کوانتومی از جریان زمان را آشکار کند که دیگر با فیزیک کلاسیک قابل توضیح نیست.»

ساعت‌های اتمی؛ ابزار ورود به مرز واقعیت

پژوهشگران برای بررسی این ایده به سراغ ساعت‌های اتمی فوق دقیق رفتند؛ ابزار‌هایی که در مراکزی مانند NIST ساخته شده‌اند و از یون‌های منفردی مانند آلومینیوم یا ایتربیوم استفاده می‌کنند. این یون‌ها تا نزدیکی صفر مطلق سرد می‌شوند و با لیزر در وضعیت‌های کوانتومی کنترل‌شده قرار می‌گیرند.

گابریل سورسی، دانشجوی دکتری و از نویسندگان مقاله توضیح می‌دهد: «ساعت‌های اتمی به‌قدری دقیق شده‌اند که حتی ارتعاشات حرارتی بسیار کوچک را هم تشخیص می‌دهند، اما حتی در دمای صفر مطلق نیز نوسانات کوانتومی خلا می‌توانند بر سرعت تیک‌تاک ساعت اثر بگذارند.»

پیچاندن خلا کوانتومی و زمان چندگانه

یکی از بخش‌های پیشرفته این تحقیق، بررسی امکان ایجاد حالت‌های فشرده‌شده کوانتومی (squeezed states) است؛ حالتی که در آن عدم قطعیت‌های کوانتومی در یک متغیر کاهش یافته و در دیگری افزایش می‌یابد. در این وضعیت، رفتار ساعت می‌تواند به شکلی غیرعادی تغییر کند.

در چنین شرایطی، ساعت نه‌تنها می‌تواند هم‌زمان نرخ‌های مختلفی از زمان را تجربه کند، بلکه ممکن است با حرکت خود نیز درهم‌تنیده (entangled) شود؛ یعنی وضعیت حرکت و زمان آن به‌طور کوانتومی به هم وابسته شوند.

دیتریش لایبفرید معتقد است: «این فناوری‌ها در حال حاضر در دسترس هستند و می‌توانند شرایط لازم برای آزمایش چنین پدیده‌هایی را فراهم کنند.»

پژوهشگران بر این باورند که با پیشرفت فناوری ساعت‌های یون به دام افتاده و تکنیک‌های محاسبات کوانتومی، می‌توان در آینده نزدیک این پیش‌بینی‌ها را به‌طور مستقیم آزمایش کرد. کریستین سانر نیز اشاره می‌کند که تیم او در حال کار روی روش‌هایی است که بتواند این اثرات بسیار ظریف را در محیط آزمایشگاهی آشکار کند.

فراتر از زمان؛ گرانش کوانتومی و تک‌گران‌ها

این پژوهش تنها به مسئله زمان محدود نمی‌شود. پیکوفسکی اشاره می‌کند که همین فناوری‌های کوانتومی ممکن است در آینده حتی برای بررسی پدیده‌های بنیادی‌تر مانند گرانش کوانتومی و شاید آشکارسازی تک‌گران‌ها (gravitons) نیز به کار روند. ساعت‌های اتمی که امروز برای سنجش دقیق زمان استفاده می‌شوند، ممکن است در آینده به ابزاری برای کشف ماهیت واقعی زمان و ساختار بنیادی جهان تبدیل شوند.