الوقت يمضي في اتجاه واحد: إلى الأمام. يصبح الأولاد الصغار شيوخًا وليس العكس ؛ تتحطم أكواب الشاي ولكن لا يتم إعادة تجميعها تلقائيًا. هذه الخاصية القاسية والثابتة للكون ، والتي تسمى "سهم الوقت" ، هي في الأساس نتيجة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، التي تملي أن الأنظمة تميل دائمًا إلى أن تصبح أكثر اضطرابًا بمرور الوقت. لكن في الآونة الأخيرة ، قام باحثون من الولايات المتحدة وروسيا بتثبيط هذا السهم قليلاً - على الأقل للجسيمات دون الذرية.
في الدراسة الجديدة ، التي نشرت يوم الثلاثاء (12 مارس) في مجلة التقارير العلمية ، تلاعب الباحثون بسهم الوقت باستخدام كمبيوتر كمّي صغير جدًا مصنوع من جزيئين كميين ، يُعرفان بالكيوبت ، يقومان بإجراء الحسابات.
على المستوى دون الذري ، حيث تسود القواعد الغريبة لميكانيكا الكم ، يصف الفيزيائيون حالة الأنظمة من خلال بنية رياضية تسمى دالة الموجة. هذه الوظيفة هي تعبير عن جميع الحالات المحتملة التي يمكن أن يكون فيها النظام - حتى في حالة الجسيم ، جميع المواقع المحتملة التي يمكن أن يكون فيها - واحتمال وجود النظام في أي من هذه الحالات في أي وقت معين . بشكل عام ، مع مرور الوقت ، انتشرت وظائف الموجة ؛ يمكن أن يكون الموقع المحتمل للجسيم بعيدًا إذا انتظرت ساعة أكثر مما لو انتظرت 5 دقائق.
يعد التراجع عن انتشار الدالة الموجية مثل محاولة إعادة الحليب المسكوب إلى الزجاجة. لكن هذا بالضبط ما حققه الباحثون في هذه التجربة الجديدة.
وقال الباحث الرئيسي فاليري فينوكور ، الفيزيائي في مختبر أرجون الوطني في إلينوي ، لـ "لايف ساينس": "لا توجد فرصة في الأساس لحدوث ذلك بمفرده". "إنه مثل هذا القول ، إذا أعطيت قرد آلة كاتبة والكثير من الوقت ، فقد يكتب شكسبير." بمعنى آخر ، إنه ممكن من الناحية التقنية ولكن من غير المحتمل أن يكون مستحيلًا.
كيف جعل العلماء المستحيل في الأساس يحدث؟ من خلال التحكم في التجربة بعناية.
وقال ستيفن بارتليت أستاذ الفيزياء في جامعة سيدني لـ Live Science: "أنت حقًا بحاجة إلى قدر كبير من التحكم لجعل كل القطع المكسورة في فنجان الشاي تعود مجددًا". لم يشارك بارتليت في الدراسة. "يجب أن يكون لديك قدر كبير من التحكم في النظام من أجل القيام بذلك ... والكمبيوتر الكمومي هو شيء يتيح لنا قدرًا كبيرًا من التحكم في نظام كمومي مُحاكاة."
استخدم الباحثون جهاز كمبيوتر كمومي لمحاكاة جسيم واحد ، تنتشر وظيفته الموجية بمرور الوقت مثل التموج في البركة. ثم كتبوا خوارزمية في الكمبيوتر الكمومي عكست التطور الزمني لكل مكون منفرد من دالة الموجة ، مما أدى إلى سحب هذا التموج مرة أخرى إلى الجسيم الذي أنشأه. لقد حققوا هذا الإنجاز دون زيادة الانتروبيا ، أو الاضطراب في مكان آخر من الكون ، على ما يبدو يتحدون سهم الوقت.
هل هذا يعني أن الباحثين صنعوا آلة الزمن؟ هل انتهكوا قوانين الفيزياء؟ الجواب لا على هذين السؤالين. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن ترتيب الكون يجب أن ينخفض بمرور الوقت ولكن ليس لأنه لا يمكن أن يظل كما هو في حالات خاصة جدًا. وكانت هذه التجربة صغيرة بما يكفي ، وقصيرة بما يكفي ومضبوطة بما يكفي بحيث لم يكتسب الكون الطاقة ولا يفقدها.
قال فينوكور: "إن إرسال الموجات على البركة أمر معقد للغاية ومعقد" بمجرد إنشائها ، لكننا رأينا أن ذلك ممكن في العالم الكمي ، في حالة بسيطة جدًا. وبعبارة أخرى ، كان من الممكن عندما استخدموا التحكم الممنوح لهم من قبل الكمبيوتر الكمومي للتراجع عن تأثير الوقت.
بعد تشغيل البرنامج ، عاد النظام إلى حالته الأصلية بنسبة 85 بالمائة من الوقت. ومع ذلك ، عندما تم إدخال كويبت ثالث ، نجحت التجربة بنسبة 50 بالمائة فقط من الوقت. وقال الباحثون إن تعقيد النظام من المحتمل أن يزداد كثيرا مع الربع الثالث ، مما يجعل من الصعب على الكمبيوتر الكمومي الحفاظ على السيطرة على جميع جوانب النظام. بدون هذا التحكم ، لا يمكن السيطرة على الإنتروبيا ، وبالتالي فإن الانعكاس الزمني غير كامل. وقال فينوكور لـ Live Science ، إنهم ما زالوا يهدفون إلى أنظمة أكبر وأجهزة كمبيوتر كمومية أكبر لخطواتهم التالية.
وقال جيمس ويتفيلد ، أستاذ الفيزياء في كلية دارتموث في نيو هامبشاير ، الذي لم يشارك في الدراسة ، لـ "لايف ساينس": "إن العمل إسهام لطيف في أسس الفيزياء". "إنه يذكرنا بأنه ليس كل تطبيقات الحوسبة الكمومية يجب أن تكون موجهة نحو التطبيق لتكون مثيرة للاهتمام."
قال بارتليت: "هذا هو السبب في أننا نبني أجهزة كمبيوتر كمومية". "هذا دليل على أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكن أن تسمح لنا بمحاكاة الأشياء التي لا يجب أن تحدث في العالم الحقيقي."
