بقلم
السيد نصر
رئيس تحرير الجريدة

افترض العلماء منذ فترة طويلة وجود طرق نظرية للعودة بالزمن إلى الوراء، تُسمى “الحلقات الزمنية” (بيكسابي)
مقدمة للترجمة
لطالما كان السفر في الزمن جانبًا رئيسيا في أفلام الخيال العلمي المثيرة، لكن ما يتوصل العلماء إليه يومًا بعد يوم عن هذا الأمر قد يكون أكثر إثارة، حيث يعتقد فريق من الباحثين أن بعض الظواهر في عالم الكوانتم، مثل التشابك الكمي، يمكن أن تشهد على حالة “سفر في الزمن” فعلية، ويتطلب ذلك أن يسافر جسيم دون ذريّ إلى الوراء في الزمن، كي يضبط الأحداث بطريقة محددة حتى تتفق نتائج التجارب. فما هي تلك الحالة الغريبة للجسيمات المسافرة في الزمن؟ وهل يمكن يومًا ما أن يصل ذلك إلى مستوى البشر؟ هذه المادة من نيوساينتست تشرح الأمر.
نص الترجمة
عندما نشر عالم الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، سيث لويد، أفكاره لأول مرة، حول الحلقات الزمنية الكمومية، لم تطرأ على ذهنه جميع العواقب التي قد تتمخض عن ذلك، إذ لم يتوقع هذا الكم الهائل من رسائل البريد الإلكتروني التي تلقاها من أشخاص تلح عليهم رغبة السفر عبر الزمن ويطلبون مساعدته. وعن ذلك يقول مازحًا إنه لو كان بإمكانه العودة بالزمن إلى الوراء، ربما لم يكن ليشارك أفكاره حول الحلقات الزمنية الكمومية. من المؤسف أن لويد لن يكون قادرًا على العودة بالزمن إلى الوراء مثلما قد يُخيّل إلينا، كما سيكشف المقال أنه لن يتمكن أحد من العودة بالزمن إلى الوراء باستثناء الجسيمات التي سيكون الأمر معها مختلفًا.
افترض العلماء منذ فترة طويلة وجود طرق نظرية للعودة بالزمن إلى الوراء، تُسمى “الحلقات الزمنية”. غير أن هذه الطرق كانت تُعتبر مسارات غير عملية ومتخمة بالتناقضات، لهذا لم تلقَ قبولًا ورُفضت لفترة طويلة باعتبار استحالة تطبيقها عمليًا. لكن الأمور تغيّرت الآن، وبدأ لويد وفيزيائيون آخرون في إثبات أن هذه الحلقات الزمنية ليست ممكنة فقط في المجال الكمّي، بل إنها قابلة للتجربة عمليًا. بمعنى آخر، سنحاول قريبًا إرسال جسيم إلى الماضي فعلًا.
إذا نجحت تجربة إرسال جسيم إلى الماضي، فإن ذلك يفتح الباب أمام إمكانية إرسال رسائل -على الأقل- في شكل إشارات كمية إلى الماضي. والأهم من ذلك، أن دراسة هذه الظاهرة تقودنا إلى فهم أعمق لكيفية عمل السبب والنتيجة، وفهم ما تعنيه نظرية الكم، وربما حتى تطوير نظرية جديدة يمكن أن تفسِّر الطبيعة الحقيقية للواقع على نحو أفضل.
تُعرف الحلقات الزمنية في الفيزياء باسم “المنحنيات الزمنية المغلقة”، وظهرتْ هذه الفكرة لأول مرة في نظرية النسبية العامة لألبرت آينشتاين، التي تشير إلى أن الزمكان يمكن أن ينحني
المنحنيات الزمنية المغلقة” ظهرتْ لأول مرة في نظرية النسبية العامة لألبرت آينشتاين (ويكيبيديا)
من الناحية النظرية، إذا تمكنتَ من جعل الزمكان ينحني بدرجة كافية، سينغلق على نفسه مُكوّنًا مسارًا إلى الماضي، إلا أن العقبة الوحيدة تتمثل في أن توليد مثل هذا الانحناء الشديد يتطلب شيئًا ذا كتلة هائلة يدور بسرعة كبيرة، وهو ما يعني -على الأرجح- وجود ثقب أسود؛ الشيء الذي سيتعذر علينا صنعه في المختبر بالطبع. المشكلة أن كل ما سبق ذكره ينطبق على الحلقات الزمنية الكبيرة نسبيًا، التي يمكن للبشر -نظريًا- استخدامها للسفر عبر الزمن، لكن يبقى السؤال الأهم هنا: كيف سيكون الوضع إن تحدثنا عن شيء يعمل على أصغر المقاييس؟ أظهرت التجارب الثورية في ميكانيكا الكم، التي تحكم الواقع على المستوى دون الذري، أنه يمكننا نظريًا إنشاء ما يعادل رياضيًا حلقةً زمنية في هذا المجال، وسنُطلِق عليه اسم “منحنى زمني مُغلق كمي”.
لفترة طويلة، استنكر الفيزيائيون فكرة وجود حلقة زمنية في عالم الكم، ويرجع ذلك إلى أن هذه الفكرة لا تتوافق مع الطريقة التي يعتقد العلماء أن الزمن يعمل بها في هذا الإطار. فالاعتقاد السائد يشير إلى أن الزمن يعمل بطريقة مختلفة ومذهلة في ميكانيكا الكم، مقارنةً بالنسبية العامة. وفي الواقع، يُعدُّ هذا الاختلاف من أكبر العقبات التي يواجهها الفيزيائيون في محاولتهم توحيدَ نظرية النسبية وميكانيكا الكم، لإيجاد نظرية يمكن أن يعوَّل عليها لوصف الواقع على كل مقياس.
إن الاختلاف في فهم الزمن بين النسبية العامة وميكانيكا الكم هو أحد التحديات الكبيرة التي تواجه الفيزيائيين في محاولة دمج النظريتين في إطار واحد يصف الواقع على جميع المستويات. في النسبية العامة على سبيل المثال، سنجد أن الزمان والمكان متشابكان في نسيج الزمكان، مما يعني أن الزمن يمكن أن ينكمش أو يتمدد تحت تأثير الجاذبية. (بعبارة أخرى، الزمن ليس ثابتًا ولكنه يتأثر بقوة الجاذبية وتوزيع الكتلة*)، بينما في ميكانيكا الكم، يُشار إلى الزمن باعتباره ساعة تدق بدرجة ثابتة ومستمرة في الخلفية. في هذا الإطار، السببية تُعتبر ثابتة، بمعنى أن السبب دائمًا يأتي قبل التأثير.
قد توحي الفكرة السابقة بأن الحلقات الزمنية الكمية مستبعدة تمامًا، إلا أن ثمة وجهة نظر جديدة تكتسب شعبية في ميكانيكا الكم تتعامل مع الزمن بصورة مختلفة عن الفهم التقليدي. فبدلاً من النظر إلى الزمن بوصفه خطا ثابتا لا يتغير، تقترح هذه النظرة الجديدة أن الزمن يمكن أن يغدو أكثر مرونة، أو يمكن أن يتصرف بطرق غير تقليدية. ويُطلَق على هذا النهج اسم “السببية الرجعية” أو “العلّية المعكوسة” (التي تعني أن الأحداث في المستقبل قد تؤثر على الأحداث في الماضي، وهو مفهوم يختلف عن الفهم التقليدي للزمن*). ظهر هذا النهج نتيجة للخلافات حول كيفية فهم سمة غريبة أخرى في ميكانيكا الكم تُعرف باسم “التشابك الكمّي” (الذي تكون فيه الجسيمات مترابطة بطريقة تجعل التأثير ينتقل بينها فورًا، بغض النظر عن المسافة*). ”التشابك الكمّي” (الذي تكون فيه الجسيمات مترابطة بطريقة تجعل التأثير ينتقل بينها فورًا، بغض النظر عن المسافة*).
عندما يتشابك جسيمان، فإنهما يشتركان في حالة كمّيّة واحدة حتى لو كانت المسافة بينهما سنة ضوئية كاملة (9.5 تريليونات كيلومتر). فما إن تبدأ مثلًا بقياس القوة الدافعة لأحد الأجسام، حتى تعرف على الفور القوة الدافعة للجسم الآخر، بغض النظر عن المسافة بينهما. وإذا كان هذان الجسيمان يتبادلان التأثير فيما بينهما، فإن هذا التبادل يجب أن يحدث بسرعة أكبر من سرعة الضوء، وهو ما يتعارض مع قوانين النسبية العامة التي تشير إلى أن سرعة الضوء هي أقصى سرعة يمكن أن تنتقل بها المعلومات. على الجانب الآخر، اعتقد آينشتاين، الذي ساوره الشك إزاء التشابك الكمّي، أن النتيجة يجب أن تكون مُحددة سلفًا (أي أن الحالة الكمية للجسيمات قد تكون مُحددة مسبقًا)، ولكن التجارب أثبتت مرارًا وتكرارًا أن هذا الافتراض كان خاطئًا
عادةً ما تُفسّر النتيجة على أن التشابك الكمي يتحدى مفهومنا “للمحلية”، وهي الفكرة التي تفترض أن المسافة بين الأشياء مهمة وتؤثر على كيفية تفاعلها، أي أن تأثير أي جسم يجب أن يكون محدودًا بالمسافة التي تفصل بينه وبين الأجسام الأخرى (بمعنى أن التأثيرات لا يمكن أن تنتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء ولا تتجاوز المسافات بين الأجسام، فإذا حذفت الشمس من مكانها الآن سيتطلب الأمر 8 دقائق حتى يصل التأثير إلى الأرض*). وعلى العكس من ذلك، يشير التشابك الكمّي إلى أن الجسيمات المترابطة كمّيًا يمكن أن تؤثر على بعضها البعض فورًا، بغض النظر عن المسافة الكبيرة بينهما. لذا، تُعتبر هذه الظاهرة دليلاً على أن ميكانيكا الكم غير محلية، أي أن تأثيرات الكم يمكن أن تحدث عبر مسافات غير محدودة دون اعتبار للمسافة، وهذا يتجاوز الفهم التقليدي للمحلية.
تشير السببية الرجعية إلى أن التشابك الكمي ليس مجرد تأثير فوري عبر المسافات، بل هو نوع من الاتصال عبر الزمن. في هذا التفسير، عندما نقيس جسيمًا متشابكًا كمّيًا، يُفتَرض أن ثمة إشارة تُرسَل إلى الماضي، إلى الوقت الذي كان فيه الجسيمان مترابطين، ثم تُنقَل هذه الإشارة مع الجسيم الآخر في المستقبل، بدلاً من الاعتماد على فكرة انتقال المعلومات بسرعة أكبر من سرعة الضوء عبر مسافات شاسعة. هذا التفسير يحافظ على المحلية، أي أن التأثيرات تحدث ضمن مسافات معقولة، ولكنه يتجاوز الفهم التقليدي للسببية حيث يكون السبب دائمًا قبل النتيجة أو التأثير.
على الرغم من عدم معرفتنا بالتفسير الصحيح لما يحدث في ميكانيكا الكم، فإن الرأي السائد منذ فترة طويلة هو أن ميكانيكا الكم غير محلية (أي أن التأثيرات تحدث عبر مسافات كبيرة دون اعتبار للوقت*)، في حين ظلت فكرة السببية الرجعية فلسفية وغير عملية. ولكنّ هذا الوضع بدأ يتغير، ومع هذا التغير، أصبحت إمكانية وجود حلقات زمنية كمية أكثر احتمالًا.
في عام 1991، استخدم عالم الفيزياء النظرية بجامعة أكسفورد، ديفيد دويتش، مفهوم السببية الرجعية لاقتراح فكرة “المنحنى الزمني المغلق الكمي”. حاول دويتش استخدام جوانب من ميكانيكا الكم لتجاوز أي مفارقات تتعلق بالسبب والنتيجة، مثل مفارقة الجد، التي تتساءل عما يحدث إذا عاد مسافر عبر الزمن إلى الوراء لقتل جده وبالتالي ينفي وجوده. استند دويتش في نسخته إلى تفسير العوالم المتعددة في ميكانيكا الكم. ووفقًا لهذا التفسير، إذا عاد جسيم مسافر عبر الزمن ودمر نفسه، فإنه ببساطة سيدخل إلى فرع آخر من الأكوان المتعددة. ورغم ذلك، شعر البعض أن هذا التفسير لا يحل المفارقة بالكامل، لأن فكرة العوالم المتعددة نفسها تثير تساؤلات فلسفية ومعقدة حول طبيعة الواقع.
مجالات مجهولة
وللقيام بذلك، صمم أرفيدسون-شوكور وزملاؤه تجربة تتضمن ذرتين جهزوهما على شكل كيوبتات فائقة التوصيل لمراقبة تأثير مجال غير معروف يمكن أن يكون كهربائيًا أو مغناطيسيًا أو غير ذلك. تمحور هدفهم المنشود حول مراقبة التغيرات في دوران أحد الكيوبتات لتقدير قوة هذا المجال، لكن إذا لم يعرفوا اتجاه المجال، فلن يتمكنوا من إعداد دوران الكيوبت بصورة صحيحة. عادةً ما يكون الحل التقليدي لمثل هذه المشكلات هو تحضير العديد من الكيوبتات بوضعيّات دوران مختلفة، ثم استخدام هذه النتائج لاستنتاج قوة المجال، إلا أن هذه الطريقة تتطلب وقتًا طويلاً لتحضير العديد من الإلكترونات التي يتم التخلص منها قبل إجراء القياس.
الطريقة الأفضل هي استخدام التشابك الكمومي لإرسال الحالة المثلى إلى الماضي. في التجربة، وضع الباحثون أحد الكيوبتات المتشابكة تحت تأثير المجال، ثم شرعوا في إجراء قياس على الكيوبت الآخر المتشابك لإرسال الحالة المثلى إلى الكيوبت الموجود في المجال، بحيث يكون في أفضل وضع لقياس تأثير المجال. على المنوال ذاته، يُبدي لويد إعجابه بالتجربة بقوله إن الفيزيائيين تحدثوا طويلا عن إمكانية إرسال المعلومات الكمومية إلى الماضي، ويضيف: “ما يميز هذا البحث هو أنه ليس مجرد كلام، بل خطا أولَ خطوة عملية نحو تحقيق شيء ما”.
ومن جانبه، يشير لويد إلى وجود فوائد تكنولوجية متعددة قد تنتج عن السببية الرجعية، تشمل مجال الحوسبة الكمومية. كما يوضح أنها قد تكون مفيدة في نظرية الألعاب، وهو نوع من الرياضيات يصمم القرارات الاستراتيجية. لتبسيط الفكرة أكثر، يشرح لويد أنه في لعبة تحتوي على عدة لاعبين أو جسيمات تتخذ قرارات مترابطة، إذا كان لديهم إمكانية الوصول إلى محاكاة للحلقات الزمنية، فإن اللاعبين لن يستطيعوا الغش. (بمعنى آخر، القدرة على استخدام الحلقات الزمنية ستجعل من المستحيل على اللاعبين التلاعب بالنتائج، لأن القرارات ستتأثر وتُعدَّل مع مرور الزمن، مما يمنع الغش).
إنْ نظرنا إلى الموضوع من منظور أشمل، سنكتشف أن هذا العمل قد يكون سببًا لأخذ تفسير السببية الرجعية في ميكانيكا الكم بجدية أكبر. وتعليقًا على ذلك، يقول عالم فيزياء الكم بجامعة سان خوسيه في كاليفورنيا، كين وارتون، الذي كان مؤيدًا لفكرة السببية الرجعية منذ فترة طويلة: “من الرائع أن الأشخاص في مجال المعلومات الكمومية يدركون فوائد التفكير في هذه التجارب بطريقة مختلفة لتفسير التشابك الكمومي على أنه نوع من الاتصال الذي يحدث بين الجسيمات، ليس فقط عبر المسافات، ولكن أيضًا عبر الزمن، حيث يمكن أن تؤثر الأحداث الحالية على الحالات الماضية للجسيمات المتشابكة. ومن الواضح أنهم استلهموا وجهة النظر البديلة هذه وحصلوا على بعض النتائج الرائعة”، وبالتالي، إذا كانت نظرية السببية الرجعية صحيحة، فهذا يعني أن السفر عبر الزمن موجود ومنتشر بالفعل في كل مكان في عالم الكم
تعديل الماضي
يتلقى لويد الكثير من الأسئلة حول إمكانية إرسال البشر إلى الماضي يومًا ما، ولسوء الحظ، يضطر دائمًا أن يكون واقعيًا ويشير إلى أن الحالة الكمومية، بما فيها التشابك، مفرَطة الهشاشة، وهذا هو السبب وراء إجراء التجارب الكمومية على ذرات مفردة في الفراغ، لدرجة أن أي جزيء هواء يمر قد يؤثر على الحالة الكمومية. إن محاولة ربط ملايين الذرات في أجسامنا في الحاضر وتشابكها مع ملايين الذرات الموجودة في أجسادنا في الماضي؛ أمر غير واقعي بتاتًا. وعن ذلك يقول أرفيدسون-شوكور: “سيكون من المستحيل في المستقبل القريب بناء مختبر يمكنه القيام بذلك”.
ومع ذلك، قد نتمكن من استخدام السفر عبر الزمن الكمومي لتعديل الماضي بصورة غير مباشرة. تخيل أنك تُعدّ زوجا من الجسيمات المتشابكة وتحافظ عليه بصورة دائمة. يمكن أن تعمل هذه الجسيمات باعتبارها علامة زمنية، بمعنى أنه في المستقبل، قد يستخدم الفيزيائيون السببية الرجعية لتعديل حالة هذه الجسيمات، مما يؤثر على النتائج التي يحصل عليها الفيزيائيون في الماضي عند قياسها. وبالرغم من أن هذه العملية لا يمكنها تغيير الأحداث المروعة التي حدثت في الماضي، مثل الحوادث، فإنه يمكن نظريًا ربط نتيجة القياس الكمومي بالعالم الحقيقي، وبالتالي تغيير مسار التاريخ بصورة غير مباشرة.
في النهاية، تخيل تجربة فكرية مشابهة لتجربة قطة شرودينغر، لكن باستخدام حلقة زمن كمومية. في هذه التجربة، القطة في صندوق يحتوي على قارورة من السم، وتتوقف حالة السم على جسيم كمومي في حالة تراكب بين حالتين، إحداهما ستطلق السم والأخرى لن تفعل. في هذه الحالة، تُعتبر القطة ميتة وحية في الوقت ذاته حتى يُفتح الصندوق وتُقاس حالة الجسيم، فتتحدد حالة السم. وباستخدام حلقة زمن كمومية، قد يمكن تغيير النتيجة وبالتالي تغيير مصير القطة، فإذا تمكنا من إرسال الحالة المثلى إلى الماضي، فقد نتمكن من إنقاذ صديقنا ذي الفرو الناعم.
إضافات من المترجم
هذه المادة مترجمة عن موقع نيوساينتست،