آیا چیزی به نام «زمان منفی» وجود دارد؟ پاسخ دانشمندان مثبت است!

برهم‌کنش میان نور و ماده، پدیده‌ای شگفت‌انگیز و جذاب است که برای قرن‌های متمادی ذهن دانشمندان و محققان را به خود مشغول ساخته است. در قلب این کاوش علمی، رفتار فوتون‌ها (ذرات بنیادین نور) هنگام عبور از محیط‌های گوناگون و متنوع قرار دارد. بررسی چگونگی این تعاملات، نه تنها درک ما از جهان پیرامون را افزایش می‌دهد، بلکه زمینه‌ساز توسعه فناوری‌های نوین نیز می‌گردد.

سفر فوتون‌ها در میان مواد مختلف، شامل تعاملات بسیار پیچیده‌ای است که از جمله آن‌ها می‌توان به جذب و بازتابش توسط اتم‌ها اشاره کرد. این فرآیند، به طور موقت اتم‌ها را به حالت‌های پرانرژی‌تر یا به اصطلاح “برانگیخته” می‌برد و سپس آن‌ها به حالت پایدار و عادی خود بازمی‌گردند. این پدیده‌های بنیادین، زیربنای فناوری‌های پیشگامانه‌ای مانند حافظه‌های کوانتومی را تشکیل می‌دهند که قادر به ذخیره‌سازی و پردازش اطلاعات به شیوه‌های نوین هستند. همچنین، این تحقیقات، افق‌های جدید و هیجان‌انگیزی را در زمینه اپتیک غیرخطی گشوده‌اند که به بررسی رفتار نور در محیط‌هایی با خواص نوری غیرخطی می‌پردازد.

در یک آزمایش بسیار مهم و قابل توجه، گروهی از محققان برجسته در دانشگاه تورنتو، به مفهوم پیچیده و چالش‌برانگیز “زمان منفی” پرداخته‌اند. یافته‌های حاصل از این پژوهش، که هنوز مراحل داوری همتا (Peer Review) را به طور کامل طی نکرده است، فرضیات و باورهای قدیمی و مرسوم درباره زمان و انرژی در مکانیک کوانتومی را به طور جدی به چالش می‌کشد و دیدگاه‌های جدیدی را در این زمینه مطرح می‌سازد.

پروفسور افرایم استاینبرگ (Aephraim Steinberg)، استاد برجسته فیزیک و رهبر این مطالعه مهم، اذعان می‌کند که تحقیقات آن‌ها بحث‌ها و جنجال‌های فراوانی را در جامعه علمی برانگیخته است. با این حال، او قاطعانه از این بینش‌ها و یافته‌های جدید به عنوان گامی اساسی و حیاتی برای درک بهتر و عمیق‌تر عجایب و شگفتی‌های سیستم‌های کوانتومی دفاع می‌کند و آن را نقطه عطفی در این حوزه می‌داند. با دیجی رو همراه باشید.

مکانیک کوانتومی و مفهوم بحث‌برانگیز «زمان منفی»

مفهوم «زمان منفی» از چگونگی تعامل فوتون‌ها با اتم‌ها در یک محیط دی‌الکتریک (ماده‌ای نارسانا که می‌تواند میدان الکتریکی را منتقل کند) سرچشمه می‌گیرد. هنگامی که نور از چنین ماده‌ای عبور می‌کند، برخی از فوتون‌ها توسط اتم‌های ماده جذب و سپس در کسری از ثانیه دوباره بازتابش می‌شوند. این تعامل پیچیده، یک حالت «برانگیخته» موقت را در اتم‌ها ایجاد می‌کند که در آن، اتم‌ها انرژی بیشتری نسبت به حالت عادی خود دارند.

در توضیح متعارف و سنتی برای این پدیده، چنین فرض می‌شود که فوتون‌ها یک جدول زمانی ثابت و مشخص برای فرآیندهای جذب و بازتابش دارند. اما تیم تحقیقاتی پروفسور استاینبرگ با انجام آزمایش‌های دقیق و پیچیده نشان داد که این مدت زمان‌ها می‌توانند حتی کمتر از صفر باشند! نتیجه‌ای شگفت‌انگیز و غیرمنتظره که آن‌ها آن را «زمان منفی» توصیف می‌کنند.

برای درک بهتر این مفهوم، یک مثال ساده و ملموس می‌زنیم. تصور کنید که تعدادی خودرو در حال ورود به یک تونل هستند. اگر میانگین زمان ورود هزار خودرو به داخل تونل ساعت 12 ظهر باشد، ممکن است بسیار عجیب و غیرقابل باور به نظر برسد که اولین خودروها کمی زودتر از این زمان، مثلاً ساعت 11:59 صبح، از تونل خارج شوند! در گذشته و در جریان تفسیرهای رایج در دنیای فیزیک، معمولاً چنین نتایجی را به عنوان خطای اندازه‌گیری و اشکال در داده‌ها رد می‌کردند. اما محققان دانشگاه تورنتو با رویکردی متفاوت، این نتایج را بسیار مهم و معنادار تلقی کرده‌اند.

کار تحقیقاتی آن‌ها به وضوح نشان می‌دهد که این زمان‌بندی‌های به ظاهر متناقض و عجیب، ریشه در قوانین و اصول مکانیک کوانتومی دارند (حوزه‌ای از فیزیک که به ماهیت احتمالی، غیرمستقیم و اغلب غیرشهودی خود مشهور است). در دنیای کوانتوم، بسیاری از پدیده‌ها بر اساس احتمالات و نه قطعیت رخ می‌دهند و این موضوع می‌تواند منجر به نتایج غیرمنتظره‌ای شود.

دانیلا آنگولو (Daniela Angulo)، یکی از پژوهشگران اصلی این تیم تحقیقاتی، نقش کلیدی و بسیار مهمی را در اندازه‌گیری دقیق مدت زمانی که اتم‌ها در حالت برانگیخته باقی می‌مانند، ایفا کرد. با استفاده از لیزرهای بسیار دقیق و کالیبره شده در یک آزمایشگاه مجهز و پر از سیم‌ها و دستگاه‌های پیچیده که با فویل آلومینیوم پوشیده شده بودند، تیم آن‌ها طی دو سال تلاش بی‌وقفه، تنظیمات آزمایشی خود را بهینه کرد و به دقت مورد نظر دست یافت.

پروفسور استاینبرگ در توصیف این یافته شگفت‌انگیز به سادگی بیان کرد: «آن زمان منفی بود.» این یافته، پیامدهای عمیق و گسترده‌ای برای درک رفتار فوتون‌ها در محیط‌های پراکنده و چگونگی تعامل آن‌ها با ماده دارد.

زمان منفی و مفهوم تأخیر گروهی

تأخیر گروهی، مفهومی اساسی و بنیادین در برهم‌کنش نور و ماده است و به زمانی اشاره دارد که به نظر می‌رسد یک فوتون برای عبور از یک محیط خاص صرف می‌کند. این تأخیر به شدت تحت تأثیر عمق نوری محیط (میزان عبور نور از محیط) و همچنین ویژگی‌های طیفی پالس نوری (مانند طول موج و پهنای باند) قرار می‌گیرد. تیم تحقیقاتی پروفسور استاینبرگ از نظریه مسیر کوانتومی و فرمالیسم مقادیر ضعیف برای بررسی دقیق چگونگی تعامل فوتون‌ها با اتم‌ها و مدت زمانی که فوتون‌ها به عنوان برانگیختگی اتمی سپری می‌کنند، استفاده کردند.

محاسبات دقیق آن‌ها نشان داد زمانی که یک فوتون به عنوان برانگیختگی اتمی صرف می‌کند، به طور دقیق با تأخیر گروهی هماهنگ و منطبق است، حتی در شرایطی که این تأخیر به مقدار منفی می‌رسد. به طور سنتی و بر اساس قوانین فیزیک کلاسیک، چنین تأخیری کاملاً غیرممکن و غیرقابل تصور است. اما مکانیک کوانتومی با قوانین و اصول خاص خود، اجازه چنین نتایج غیرمعمول و شگفت‌انگیزی را می‌دهد که به شدت با ماهیت احتمالی و غیرقطعی تعاملات ذرات در دنیای کوانتوم مرتبط است.

این بینش مهم و ارزشمند، به صورت تجربی با مشاهده تغییر فاز غیرخطی که بر روی یک پرتو پروب ثبت شده بود، مورد آزمایش و بررسی قرار گرفت و پیش‌بینی‌های نظری را در طیف وسیعی از پارامترهای نوری به طور دقیق تأیید کرد.

پروفسور استاینبرگ این تغییر فاز را به وارونگی فاز π (پی) تشبیه می‌کند که معمولاً وقتی یک پالس پهن‌باند از یک محیط نوری متراکم عبور می‌کند، رخ می‌دهد. این پدیده، تعامل پیچیده و ظریف بین همدوسی کوانتومی (ارتباط بین حالت‌های کوانتومی) و خواص مواد را به خوبی برجسته می‌کند و فرضیات سنتی و مرسوم درباره چگونگی انتشار نور در محیط‌های مختلف را به چالش می‌کشد.

نتایج تیم تورنتو بر رفتار ظریف و دقیق فوتون‌ها و اتم‌ها در سیستم‌های کوانتومی تأکید می‌کند. آزمایش‌های قبلی آن‌ها نشان داد که فوتون‌های عبوری تقریباً به همان اندازه فوتون‌های پراکنده، در حالت برانگیخته اتمی زمان صرف می‌کنند. این نتایج نشان می‌داد که بخش قابل توجهی از اتم‌های برانگیخته در انتشار همدوس رو به جلو نقش دارند، نتیجه‌ای که توسط مدل‌های نظری نیز تأیید می‌شود.

در مطالعه اخیر، محققان این بینش‌ها را گسترش داده و نشان دادند که تأخیرهای گروهی منفی صرفاً کنجکاوی‌های ریاضی نیستند، بلکه پدیده‌های قابل مشاهده هستند. آزمایش‌های آن‌ها همچنین نشان داد که فوتون‌ها در این فرآیند هیچ اطلاعاتی را حمل نمی‌کنند و یکپارچگی نظریه نسبیت خاص اینشتین را حفظ می‌کنند. این امر تضمین می‌کند که هیچ قانون فیزیکی (مانند محدودیت سرعت کیهانی) نقض نمی‌شود.

استاینبرگ تأکید می‌کند که مفهوم «زمان منفی» به معنای سفر در زمان نیست. او توضیح داد:

ما نمی‌خواهیم بگوییم چیزی در زمان به عقب سفر کرده است.

در عوض، این نتایج، پویایی‌های پیچیده و گاه خلاف شهود سیستم‌های کوانتومی را روشن می‌کند، جایی که ذرات به جدول‌های زمانی ثابت پایبند نیستند، بلکه در طیفی از رفتارهای ممکن عمل می‌کنند.

پیامدهای گسترده‌تر و تردیدهای موجود

در حالی که این یافته‌های شگفت‌انگیز توجه بسیاری از محافل علمی و رسانه‌های جهانی را به خود جلب کرده‌اند، با شک و تردیدهایی نیز از سوی برخی از فیزیکدانان و متخصصان این حوزه مواجه شده‌اند. به عنوان مثال، سابین هوسنفلدر ( Sabine Hossenfelder)، فیزیکدان نظری برجسته آلمانی، در یک ویدیوی پربازدید در پلتفرم یوتیوب، از تفسیر «زمان منفی» که توسط تیم پروفسور استاینبرگ ارائه شده بود، انتقاد کرد. او استدلال کرد که این اصطلاح، آنچه را که آزمایش‌ها در مورد رفتار فوتون و تغییر فاز آن در یک محیط خاص نشان می‌دهند، به درستی منعکس نمی‌کند و ممکن است منجر به برداشت‌های نادرست شود.

او در توضیحات خود بیان کرد:

مفهوم زمان منفی در این آزمایش هیچ ارتباطی با گذر واقعی زمان به صورت معمول و روزمره ندارد. این فقط یک روش و ابزار برای توصیف چگونگی عبور فوتون‌ها از یک محیط خاص و نحوه تغییر فاز آن‌ها در این فرآیند است.

با این حال، دانیلا آنگولو و پروفسور استاینبرگ همچنان معتقدند که کار تحقیقاتی آن‌ها به شکاف‌های بسیار مهم و اساسی در درک ما از چگونگی تعامل نور و ماده می‌پردازد. آن‌ها استدلال می‌کنند که مفهوم و پدیده تأخیرهای گروهی منفی، بینش‌های جدید و ارزشمندی را درباره رفتار نور در محیط‌های پراکنده (محیط‌هایی که نور در آن‌ها به جهات مختلف پراکنده می‌شود) ارائه می‌دهند. این بینش‌ها می‌توانند پیامدهای گسترده و مهمی برای حوزه‌های مختلف از جمله اپتیک کوانتومی و فناوری‌های فوتونی داشته باشند. اپتیک کوانتومی به مطالعه رفتار نور در سطح کوانتومی می‌پردازد و فناوری‌های فوتونی شامل تولید، کنترل و تشخیص نور با استفاده از قطعات و دستگاه‌های نوری است.

محققان همچنین به دفاع از انتخاب اصطلاحات خود، به ویژه اصطلاح “زمان منفی”، پرداختند. آن‌ها اذعان داشتند که این اصطلاح، اصطلاحی بحث‌برانگیز و چالش‌برانگیز است و ممکن است برداشت‌های متفاوتی را در بین دانشمندان و عموم مردم ایجاد کند. با این حال، آن‌ها تأکید کردند که این اصطلاح همچنین باعث تحریک بحث‌های عمیق‌تر و جدی‌تر درباره ماهیت پیچیده و غیرشهودی پدیده‌های کوانتومی می‌شود و به نوعی ذهن‌ها را برای پذیرش مفاهیم جدید آماده می‌کند.

پروفسور استاینبرگ در این باره گفت:

ما انتخاب خود را درباره اینکه چه روشی را برای توصیف نتایج به دست آمده مفید و مناسب می‌دانیم، انجام داده‌ایم.

او خاطرنشان کرد در حالی که کاربردهای عملی و ملموس این یافته‌ها هنوز در حد گمانه‌زنی و پیش‌بینی است و نیاز به تحقیقات بیشتر دارد، اما یافته‌های آن‌ها به طور قطع زمینه را برای بررسی جنبه‌های جدید و ناشناخته فیزیک کوانتومی فراهم می‌کند و راه را برای اکتشافات بعدی هموار می‌سازد.

همانطور که بحث و تبادل نظر در مورد مفهوم “زمان منفی” در جامعه علمی ادامه دارد، کار و پژوهش تیم دانشگاه تورنتو، به خوبی روحیه کنجکاوی علمی و تلاش برای کشف ناشناخته‌ها را به نمایش می‌گذارد. آن‌ها با به چالش کشیدن عقل متعارف و گسترش مرزهای آنچه در حال حاضر قابل اندازه‌گیری و درک است، جامعه علمی را به بازاندیشی فرضیات و باورهای دیرینه درباره‌ی مفاهیم اساسی مانند زمان، نور و مکانیک کوانتومی دعوت می‌کنند.

تحقیقات آن‌ها، اگر چه هنوز در مراحل اولیه و مقدماتی قرار دارد و نیاز به بررسی‌های بیشتر دارد، مسیرهای جدید و امیدوار کننده‌ای را برای مطالعه دقیق‌تر و عمیق‌تر برهم‌کنش نور و ماده و همچنین نقش حیاتی تأخیرهای گروهی در سیستم‌های کوانتومی باز می‌کند. صرف نظر از اینکه اصطلاح “زمان منفی” به عنوان یک اصطلاح علمی پذیرفته شود یا خیر، بینش‌ها و یافته‌هایی که این پژوهش نمایان می‌سازد، به احتمال زیاد مسیر و جهت‌گیری تحقیقات در حوزه فیزیک کوانتومی را برای سال‌های آینده شکل خواهد داد و الهام‌بخش اکتشافات جدید خواهد بود.

در نهایت، می‌توان گفت که این پژوهش، نمونه‌ای بارز از تلاش بشر برای درک عمیق‌تر جهان پیرامون و قوانین حاکم بر آن است و نشان می‌دهد که هنوز نکات و پدیده‌های بسیاری در دنیای فیزیک وجود دارند که نیازمند بررسی و تحقیق بیشتر هستند. مفهوم “زمان منفی” اگر چه ممکن است در ابتدا عجیب و غیرقابل باور به نظر برسد، اما می‌تواند دریچه‌ای جدید به سوی درک بهتر واقعیت‌های کوانتومی بگشاید.