گروهی بین‌المللی از پژوهش‌گران موفق به اندازه‌گیریِ بی‌نظمی یا آنتروپی در یک سیستم کوچک‌مقیاسِ کوانتومی شده‌اند. به اعتقاد این تیم٬ این کار برجسته «جهت زمان» را روشن خواهد ساخت: مشاهده‌ای که بر اساس آن٬ زمان همیشه به سمت آینده پیش می‌رود. در این آزمایش با استفاده از یک میدان مغناطیسیِ نوسان‌کننده٬ تلنگرهایی مداوم به اسپین اتم‌های کربن وارد می‌شود و ظهور جهت زمان به افت‌وخیزهای کوانتومیِ مابین یک حالت اسپین اتمی و حالت دیگر مرتبط می شود.

روبرتو سِرا (Roberto Serra) از اعضای این گروه و فیزیک‌دانی است که به طور ویژه بر روی اطلاعات کوانتومی در دانشگاه فدرال ABC در سانته آندرای برزیل کار می‌کند. وی توضیح می‌دهد که: «به همین دلیل است که ما دیروز را به یاد می‌آوریم و نه فردا را». به بیان او٬ در سطحی بنیادی‌تر٬ افت‌وخیزهای کوانتومی در نامتقارنیِ زمان دخالت دارند.

تحریک ساختن

در دنیای روزمره پیکان زمان اغلب بدیهی فرض می‌شود. برای مثال شکستن یک تخم‌مرغ را مشاهده می‌کنیم اما هرگز این را نمی‌بینیم که زرده‌ی تخم‌مرغ٬ و اجزای سفید و پوسته‌ی آن دوباره به هم پیوسته و تخم‌مرغ را تشکیل دهند. بدیهی به نظر می‌رسد که قوانین طبیعت نبایستی بازگشت‌پذیر باشند اما تابحال راجع به فیزیکِ این مطلب چیزی برای گفتن وجود نداشته است. معادلات دینامیکیِ شکستن تخم‌مرغ به همان اندازه به خوبی به سمت جلو می‌روند که به سمت عقب باز می‌گردند.

با این حال آنتروپی٬ پنجره‌ای به سوی پیکان زمان باز کرده است. بسیاری از تخم‌مرغ‌ها شبیه هم‌اند اما یک تخم‌مرغ شکسته می‌تواند هر شکلی را اتخاد کند: می‌تواند به شکل مرتب و منظمی ترک‌خورده‌ بخورد٬ درهم‌برهم باشد٬ روی پیاده‌رو چلپ چلوپ کند و غیره. یک تخم‌مرغ شکسته حالتی نامنظم است (یعنی حالتِ آنتروپیِ بزرگ‌تر) و چون حالت‌های نامنظم بیشتری نسبت به حالت‌های منظم وجود دارد٬ احتمال این بیشتر است که یک سیستم به سمت‌وسوی بی‌نظمیِ بیشتر پیش‌رود تا به سمت نظم.

این استدلال احتمالی در قانون دوم ترمودینامیک نهفته شده و بیان می‌کند که آنتروپی یک سیستم بسته همیشه در طول زمان افزایش می‌یابد. بر اساس این قانون٬ زمان به شکل ناگهانی نمی‌تواند عقب‌گرد کند زیرا لازمه این کار آن است که آنتروپی کاهش یابد. این بحث متقاعدکننده‌ای برای یک سیستم پیچیده است که از ذرات اندرکنش‌کننده‌ی بسیار زیاد تشکیل شده است (مثل یک تخم‌مرغ) اما در مورد یک سیستم متشکل از یک ذره چه می‌توان گفت؟

قلمرو تاریک

سرا و همکارانش در این قلمروی تیرو و تار به کاوش پرداخته‌اند. آن‌ها در هنگردی از اتم‌های کربن ۱۳ که در یک نمونه‌ی کلروفرم مایع قرار گرفته‌ آنتروپی را اندازه گرفته‌اند. اگرچه این نمونه تقریباً از یک تریلیون مولکول کلروفرم تشکیل شده اما طبیعت کوانتومیِ غیربرهم‌کنشی این مولکول‌ها به این معنی است که این آزمایش معادل با انجام آزمایشی یکسان بر روی تک‌اتم کربن (یک تریلیون بار) است.

سرا و همکارانش میدان مغناطیسیِ خارجی نوسان‌کننده‌ای را به این نمونه اعمال کرده‌اند. این میدان به شکل مداوم تلنگرهایی را به حالت اسپینیِ اتم کربن وارد سخته و آن را بالا و پائین می‌کند. آن‌ها شدت نوسانات میدان را با افزایش فرکانس تلنگرهای اسپینی بالا برده‌ و سپس دوباره به عقب باز می‌گردانند.

حال این سیستم برگشت‌پذیر شده و توزیع حالات اسپینیِ کربن در انتها با آن‌چه در شروع فرآیند بوده یکسان می‌شود. با این حال سرا و همکارانش  با بهره‌گیری از تشدید مغناطیسیِ هسته‌ای و توموگرافی حالت کوانتومی٬ افزایشی را در بی‌نظمیِ اسپین‌های نهایی اندازه گرفته‌اند. به دلیل طبیعت کوانتومیِ سیستم٬ این پدیده معادل است با افزایش آنتروپی در یک تک‌اتم کربن.

بر اساس آن‌چه پژوهش‌گران بیان کرده‌اند٬ آنتروپیِ تک‌اتم (در نتیجه‌ی سرعتی که با آن به اسپین آن‌ها تلنگر زده می‌شود) افزایش می‌یابد. چون اتم‌ها قادر نیستند با شدت میدان نوسانی اعمالی هماهنگ شوند٬ به شکل اتفاقی افت‌وخیز می‌کنند؛ شبیه یک رقاص بی‌تجربه که برای هماهنگی با آهنگ پخش شده حرکاتی را انجام می‌دهد. به گفته‌ی سرا: «رقص با یک ریتم آرام راحت‌تر از رقص با ریتم سریع است.»

سوالات بسیاری که بی‌پاسخ مانده‌اند

مارک ریزین (Mark Raizen) پژوهش‌گر تجربی کاری از دانشگاه تگزاس در آستین ایالات متحده که به مطالعه‌ی برگشت‌ناپذیری در سیستم‌های کوانتومی نیز پرداخته است. به نظر وی این گروه موفق شده‌اند تا وجود جهت زمانی را در یک سیستم کوانتومی مشاهده کنند. اما ریزین بیان می‌دارد که این گروه «آغاز» جهت زمانی را مشاهده نکرده‌اند. وی می‌افزاید: «این ]مطالعه[ کتاب درک ما از جهت زمانی را نمی‌بندد و هنوز سوالات بسیاری بی‌پاسخ مانده است».

یکی از آن پرسش‌ها این است که آیا جهت زمانی به درهم‌تنیدگیِ کوانتومی مربوط است یا نه. درهم‌تنیدگی کوانتومی پدیده‌ای است که در آن دو ذره هم‌بستگی‌های آنی با هم‌دیگر از خود نشان می‌دهند٬ حتی زمانی که در فواصل زیادی از هم قرار دارند. این ایده ۳۰ سال قدمت دارد و اخیراً از تجدید حیاتی در میان عموم برخوردار شده است. با این وجود این ارتباط با افزایش آنتروپی کمتر مرتبط است و بیشتر با پاشندگیِ غیرقابل توقفِ اطلاعات کوانتومی سروکار دارد.

سِرا معتقد است که با بهره‌برداری از درهم‌تنیدگیِ کوانتومی ممکن است بتوان حتی جهت زمانی را در یک سیستم کوچک‌مقیاس معکوس کرد. وی می‌گوید: «ما بر روی این موضوع کار می‌کنیم. در نسل بعدیِ آزمایش‌ها که بر روی ترودینامیکِ کوانتومی خواهد بود چنان جنبه‌هایی را کاوش خواهیم کرد.»

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.

درباره‌ی نویسنده:

جان کارترایت (Jon Cartwright) روزنامه‌نگاری آزاد در بریستول انگلستان است.  

منبع:

Physicists put the arrow of time under a quantum microscope