Optical time travel: proposal for testing Hawking's Chronology Protection Conjecture in an optical analogue

آلة الزمن في صندوق

تخيل أن بإمكانك إرسال رسالة إلى نفسك في الماضي، ربما لتحذيرها من درجة سيئة في امتحان أو انسكاب فنجان قهوة. في عالم الأفلام والخيال، يعد هذا ركيزة أساسية في قصص المغامرات. لكن في عالم العلم الحقيقي، يقع السفر عبر الزمن في زاوية غريبة جداً من الفيزياء حيث يبدو أن هناك كتابين ضخمين للقواعد لا يتفقان. من ناحية، لديك نظرية أينشتاين للنسبية العامة، التي تصف الجاذبية ونسيج الفضاء والزمن. ومن المثير للدهشة أن هذه النظرية تقول إنك إذا قمت بليّ الفضاء بالطريقة الصحيحة، يمكنك إنشاء حلقة تعود فيها إلى لحظة سابقة في الزمن. الأمر يشبه طريقاً ينحني على نفسه، مما يسمح لك بالقيادة إلى مكان سبق لك زيارته.

على الجانب الآخر، لديك ميكانيكا الكم، وهي كتاب القواعد الخاص بعالم الذرات والضوء المتناهي الصغر. تشتهر هذه النظرية بكونها غامضة وغير مؤكدة؛ فالأشياء ليست دائماً في مكانها المفترض تماماً. اقترح عالم فيزياء شهير يدعى ستيفن هوكينج "فرضية حماية التسلسل الزمني"، وهي طريقة منمقة للقول بأن الطبيعة تمتلك على الأرجح مفتاح أمان. لقد خمن أنه بينما قد يوجد الطريق على الخريطة (النسبية)، فإن عالم الكم قد يتسبب في ازدحام مروري هائل أو انفجار في اللحظة التي تحاول فيها القيادة عليه، مما يمنع السفر عبر الزمن فعلياً للحفاظ على سلامة الكون. السؤال الكبير هو: هل الكون ممنوع منعاً باتاً من السفر عبر الزمن، أم أن الأمر مجرد صعب للغاية؟ هذا هو اللغز الذي قرر ديفيد بيرموديز وأولف ليونهارت معالجته، ليس بواسطة سفينة فضاء، بل بتجربة ذكية للغاية تتضمن الضوء.

نبضة الضوء التي تقفز إلى الوراء

في هذه الورقة البحثية، يقترح المؤلفون طريقة لاختبار فكرة هوكينج باستخدام "آلة زمن" مصنوعة بالكامل من الضوء والألياف البصرية. بدلاً من دخول إنسان إلى آلة، يتخيلون نبضة ضوئية تسافر عبر حلقة من كابل الألياف البصرية. إليكم كيف تعمل "آلة الزمن" الخاصة بهم:

تخيل طريقاً سريعاً مستقيماً (كابل ألياف بصرية) مع طريق جانبي يلتف حول نفسه. عند النقطة التي يلتقي فيها الطريق السريع بالدوران، يوجد جهاز خاص يسمى "المضخم البارامتري". يعمل هذا الجهاز مثل شرطي مرور سحري. عندما تصل نبضة ضوء إلى الملتقى، يمكن للمضخم إنشاء نبضة "توأم" داخل الحلقة. وبسبب الطريقة التي صُممت بها الحلقة، تسافر هذه النبضة التوأم إلى الوراء في الزمن بالنسبة للنبضة الأصلية.

لكي يعمل هذا بشكل مثالي، يجب أن تصل النبضة المسافرة إلى الوراء إلى الملتقى قبل وصول النبضة الأصلية حتى. وعندما يلتقيان، يُفترض أن يلغيا بعضهما البعض تماماً، مثل موجة تصطدم بحفرة في الماء. والنتيجة؟ تبدو النبضة الأصلية وكأنها تختفي من الحاضر وتظهر مجدداً في الماضي، أو بالأحرى، تظهر نبضة جديدة في المستقبل تبدو وكأنها جاءت من الماضي. يوضح المؤلفون أنه إذا كان لديك قدر كافٍ من "الكسب" (التضخيم) للتغلب على الفقد الطبيعي للضوء في الكابل، فإن تأثير السفر عبر الزمن هذا ممكن رياضياً. في الواقع، يحسبون أنه مع كسب متواضع قدره 10، يمكن لنبضة الضوء أن تغادر الجهاز قبل أن تدخله، محاكية بذلك رحلة إلى الماضي.

العقبة الكمومية: لماذا ليس الأمر بهذه البساطة؟

ومع ذلك، تصطدم الورقة البحثية بسرعة بعقبة رئيسية عندما ننتقل من الضوء "الكلاسيكي" (الموجات المثالية والناعمة) إلى الضوء "الكمومي" (الضوء الحقيقي المكون من الفوتونات). في عالم الكم، لا شيء سلس تماماً؛ كل شيء يهتز ويتذبذب. وهذا يعود إلى مبدأ عدم اليقين لهيزنبرج، الذي يقول إنك لا تستطيع معرفة كل شيء عن جسيم ما في وقت واحد.

يشرح المؤلفون أنه لكي تعمل آلة الزمن، يجب أن تكون النبضة "الراجعة" في الحلقة نسخة مطابقة ومثالية للنبضة "الآتية" لإلغائها. ولكن في عالم الكم، لا يمكنك أبداً صنع نسخة مثالية بسبب تلك الاهتزازات الصغيرة التي لا يمكن تجنبها. فالفراغ نفسه مليء بهذه التقلبات الصغيرة. عندما يحاول المضخم تعزيز الإشارة لجعل السفر عبر الزمن يحدث، فإنه لا يعزز الإشارة فحسب، بل يعزز أيضاً ضوضاء الفراغ.

فكر في الأمر كأنك تحاول الهمس بسر لنفسك في الماضي في غرفة مزدحمة وصاخبة. إذا كانت الغرفة هادئة (الفيزياء الكلاسيكية)، يمكنك فعل ذلك. ولكن في عالم الكم، تكون الغرفة مليئة بالتشويش. وكلما حاولت تضخيم همسك ليُسمع، زاد حجم التشويش أيضاً. وجد المؤلفون أن هذا "التشويش" ينمو بشكل أسي. وبحلول الوقت الذي يحاول فيه الضوء السفر إلى الوراء، يكون الضجيج عالياً جداً لدرجة أنه يغرق الرسالة. تتحول "آلة الزمن" جوهرياً إلى ليزر يصرخ بضوضاء عشوائية بدلاً من إرسال إشارة واضحة.

ماذا يعني هذا بالنسبة للسفر عبر الزمن

إذاً، ما هو الحكم النهائي؟ تشير الورقة البحثية إلى أنه بينما تبدو فكرة السفر عبر الزمن غير مستحيلة تماماً في المعادلات، فإن واقعها محجوب بالضوضاء الكمومية.

1. الكلاسيكي مقابل الكمومي: لو كان الضوء موجة كلاسيكية مثالية، لعمل السفر عبر الزمن. كان بإمكانك إرسال نبضة إلى الوراء، وستصل بوضوح. لكن الضوء الحقيقي هو ضوء كمومي، ومبدأ عدم اليقين يضمن أن النبضة "الراجعة" لا يمكن أبداً أن تكون متزامنة تماماً مع النبضة "الآتية".
2. تأثير الليزر: يشير المؤلفون إلى أن الشرط المطلوب للسفر عبر الزمن (أن يتجاوز الكسب مقدار الفقد) هو نفس الشرط المطلوب لبداء عمل الليزر. وهذا يعني أن آلة الزمن ستعمل حتماً كليزر، حيث تضخم تقلبات الفراغ. هذا عدم الاستقرار هو النسخة البصرية من "الانفجار" الذي تنبأ به هوكينج لمنع السفر عبر الزمن.
3. السفر عبر الزمن غير المثالي: لا تقول الورقة إن السفر عبر الزمن مستحيل بنسبة 100% للأبد. بل تقترح أنه إذا قمت بتشغيل الآلة لفترة قصيرة جداً، فقد يكون الضجيج قابلاً للإدارة. قد تحصل على تجربة سفر عبر الزمن "ضبابية" حيث تكون الإشارة موجودة ولكنها مغطاة بالتشويش. إنها ليست رحلة مثالية إلى الماضي، بل رحلة ضوضائية وغير كاملة.

يخلص المؤلفون إلى أن تجربتهم المقترحة قابلة للتنفيذ ويمكن بناؤها في المختبر لاختبار هذه الحدود. هم لا يدعون أنهم صنعوا سيارة "ديلوريان"، لكنهم يقدمون طريقة لرؤية كيف تضع الطبيعة المكابح على السفر عبر الزمن بالضبط. يبدو أن الكون يسمح لك بإلقاء نظرة خاطفة على الماضي، لكنه يصر على طمس الصورة بحيث لا يمكنك تغيير أي شيء. وكما قال هوكينج مازحاً، لو كان السفر عبر الزمن سهلاً، لغزا السياح القادمون من المستقبل عالمنا؛ وحقيقة أننا لا نرى ذلك تشير إلى أن "ضجيج" الكون يقوم بعمله على أكمل وجه.