معمای علیت معکوس/ اگر آینده بر گذشته تأثیر گذارد!

خبرگزاری علم‌ و فناوری آنا- هدا عربشاهی: مفهوم «واقع‌گرایی موضعی» (local realism) یکی از مباحثی است که بسیاری از فیزیکدانان را جذب می‌کند. واقع‌گرایی موضعی یا واقع‌گرایی محلی از ترکیب دو مفهوم «موضعیت» (locality) و «واقع‌گرایی» (realism) زاده می‌شود. موضعیت، عقیده‌ای است که بیان می‌کند اشیای دور برای تعامل‌کردن به واسطه‌ فیزیکی نیاز دارند و «واقع‌گرایی» معتقد است که حالتی عینی از واقعیت وجود دارد. این‌میان، تعداد روبه‌رشدی از متخصصان رویکرد جایگزینی را پیشنهاد می‌کنند که «علیت معکوس» (Retrocausality) نام دارد و این فرضیه را مطرح می‌کند که کنش‌های کنونی می‌توانند بر رویدادهای گذشته تاثیر بگذارند، به‌این‌ترتیب هم اصل موضعیت و هم واقع‌گرایی را حفظ می‌کنند. این مفهوم رویکرد جدیدی برای درک علیت و همبستگی‌ها در مکانیک کوانتومی ارائه می‌کند و علی‌رغم برخی انتقادها و سردرگمی‌ها، به‌عنوان توضیح معتبری که به‌طور بالقوه از اصول بنیادی نسبیت خاص محافظت می‌کند، شناخته می‌شود. 

تاثیر آینده بر گذشته!

اصل موضعیت و کنش از راه دور- غیرموضعی یا غیرمحلی- به‌عنوان اساس تمام مفاهیم فیزیک شناخته می‌شوند. اصل موضعیت که در فیزیک کلاسیک تکامل یافته است تاکید می‌کند که یک شیء مستقیما فقط تحت تاثیر محیط پیرامونش قرار می‌گیرد. اما به‌نظر می‌رسد که اثرات کوانتومی این اصل را نقض می‌کنند یعنی به‌ روشی‌ که در فیزیک کلاسیک یا تجربه روزمره، مشابهش وجود ندارد می‌توانند ماهیتی غیرموضعی داشته باشند. از این نقض، پدیده دیگری باعنوان کنش شبح‌وار از راه دور زاده می‌شود که تاکید می‌کند یک شیء را می‌توان بدون تعامل فیزیکی، تغییر، حرکت یا تحت تاثیر قرار داد. پس، کنش از راه دور، تعامل غیرموضعی اشیای از هم جدا‌شده در فضا را نشان می‌دهد. ریشه‌های درهم‌تنیدگی کوانتومی و علیت معکوس در جایی از این پدیده پنهان شده‌اند. مسئله علیت کاملا مشخص است و بیان می‌کند که هر معلولی ناشی‌از علتی است. حال می‌‌خواهیم ببینیم اگر محدودیت‌هایی را که علیت بر ما تحمیل می‌کند بشکنیم و روند علیت را معکوس فرض کنیم چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ و اگر به‌جای‌اینکه کنش تعیین‌کننده واکنش باشد واکنش بتواند کنش را تعیین کند نتیجه چه خواهد بود؟ به‌دیگرسخن، اگر جای علت و معلول و کنش و واکنش عوض شود و اگر به‌جای اینکه گذشته بر حال و آینده اثر بگذارد، آینده بر گذشته تاثیر بگذارد چه می‌شود؟ در نگاه اول و دست‌کم براساس فیزیک کلاسیک چنین اتفاقی غیرواقع‌گرا و غیرممکن به‌نظر می‌رسد. اما براساس اصل علیت معکوس همه‌چیز ممکن است. اما برای درک این مفهوم نخست باید معنی علیت را درک کرد: علیت تاثیری است که ازطریقش یک رویداد، فرآیند، حالت یا شیء به تولید رویداد، فرآیند، حالت یا شیء دیگری کمک می‌کند و به‌عبارتی، علت مسئول معلول است.

 پیکان زمان

زمان پدیده‌ای است که بیان می‌کند اثر یک رویداد را فقط بعد از وقوع آن رویداد می‌توان احساس کرد، یعنی علت مقدم بر معلول آن است. پس می‌توان گفت که پیکان زمان اولین چیزی است که برای دستیابی به علیت معکوس نیاز داریم و درواقع، برای درک بهتر علیت و علیت معکوس باید بدانیم که زمان چگونه پیش‌ می‌رود. درکل، سه‌نوع پیکان زمان وجود دارد که عبارت‌اند از: ۱- پیکان ترمودینامیکی زمان که جهت زمانی را نشان می‌دهد که در آن آنتروپی افزایش می‌یابد. آنتروپی را می‌توان معادل بی‌نظمی دانست. این افزایش آنتروپی (بی‌نظمی) برابر است با افزایش اتلاف انرژی و سازگار با فرایند برگشت‌ناپذیر و اصل نابرابری گذشته و آینده. ۲- پیکان روان‌شناختی زمان که جهتی است که در آن احساس می‌کنیم زمان می‌گذرد و درواقع، جهتی است که در آن گذشته را به یاد می‌آوریم اما درکی از آینده نداریم. ۳- پیکان کیهان‌شناختی زمان که جهت زمانی را نشان می‌دهد که عالم در آن در حال انبساط پایدار است.

براساس هر سه نوع پیکان زمان، علت همیشه مقدم بر معلول است و این گذشته است که بر آینده اثر می‌گذارد.

اما علیت معکوس (اگر وجود داشته باشد) به‌دلیل ماهیتش متفاوت است و همه‌چیز را وارونه می‌کند. به‌عبارت دیگر، تصمیمی که در زمان حال گرفته می‌شود می‌تواند بر چیزی در گذشته تاثیر بگذارد. بیایید این مفهوم را با استفاده از شعری که در سال ۱۹۲۳ در وصف نسبیت گفته شده توضیح دهیم. شعر می‌گوید:

زن جوانی برایت نام بود که سرعتش خیلی بیشتر از نور بود

روزی به‌روشی نسبیتی راه افتاد و یک شب قبلش بازگشت

 این شعر که نقض هر قانون موجود در فیزیک کلاسیک است دقیقا مفهوم همان کاری است که علیت معکوس می‌کند.

اما همان‌طورکه گفته شد براساس قانون دوم ترمودینامیک، انرژی و گرما به‌طور برگشت‌ناپذیری به سمت یکنواختی متمایل می‌شوند. به‌عبارتی دیگر، هیچ فرایند ترمودینامیکی وجود ندارد که با گذر زمان با افزایش آنتروپی (بی‌نظمی) همراه نباشد. به بیانی ساده، هر جا مقدار آنتروپی افزایش داشته باشد، نشان می‌دهد که زمان به سمت آینده میل کرده است. اما علّیت معکوس، یا علیت بازگشتی، مفهومی از علت و معلول است که در آن معلول از نظر زمان مقدم بر علت خودش است و رویداد متاخر بر رویداد قبل‌از خودش تاثیر می‌گذارد و به نوبه خود قانون دوم ترمودینامیک را می‌شکند. اما علیت معکوس اولین چیزی نیست که قوانین فیزیک کلاسیک را نقض می‌کند، به‌طوری‌که موارد دیگری چون نسبیت و مکانیک کوانتومی هم برای به چالش کشیدن نظریات کلاسیک معروف‌اند.

علیت معکوس، مفهومی پیشرفته است که هم‌زمان با درک آن، مفاهیم دیگری چون کنش شبح‌وار از راه دور و درهم تنیدگی کوانتومی به همان اندازه اهمیت پیدا می‌کنند. کنش شبح وار را نخستین‌بار آلبرت اینشتین ارائه کرد و درهم تنیدگی کوانتومی پدیده‌ای فیزیکی است که زمانی رخ می‌دهد که گروهی از ذرات ساخته می‌شوند، برهم‌کنش می‌کنند یا مجاورت فضایی را با یکدیگر اشتراک می‌گذارند، به گونه‌ای که حالت کوانتومی هر ذره در گروه را نمی‌توان مستقل از وضعیت ذرات دیگر توصیف کرد، حتی زمانی که ذرات در فاصله بسیار دور، حتی میلیاردها سال نوری، از هم جدا می‌شوند. برای‌مثال، اگر دو الکترون در حالت همدوس باشند، حتی وقتی میلیاردها سال نوری از هم فاصله دارند، می‌توانند همگام باقی بمانند، زیرا بین‌شان هنوز یک موج نامرئی شرودینگر وجود دارد که هر دو را به هم متصل می‌کند. پس، تغییر روی یک الکترون به‌طور هم‌زمان بر الکترون دیگر تاثیر می‌گذارد و به‌این‌ترتیب، اطلاعات منتقل می‌شود.

طبق نظریه کوانتومی، قبل از مشاهده، یک الکترون نه به بالا و نه پایین می‌چرخد بلکه در هر دو حالت چرخش بالا و پایین وجود دارد. اما به‌محض‌اینکه مشاهده می‌شود، تابع موج فرو می‌ریزد و ذره وارد حالت قطعی می‌شود.

استفان هاوکینگ، فیزیکدان انگلیسی می‌گوید: «مشاهدات، حالت‌های نهایی سناریوهای مختلفی از عالم را تعیین می‌کنند. از درون عالم، نگاه از بالا همان علیت عادی است. درحالی‌که علیت معکوس، مثل چشم‌انداز از نگاه فرشته‌ای است که از بیرون عالم می‌نگرد.»

بعضی دانشمندان بر این باورند که در مفهوم علیت معکوس مشکلی وجود دارد، زیرا انتخاب اینکه کدام رویداد علت است و کدام معلول مطلق نیست، بلکه به ناظر مربوط است. در مفهوم فلسفی، جمله معروف اول مرغ بود یا تخم‌مرغ، نمونه‌ای از این وضعیت است. جان جی. کرامر، فیزیکدان هسته‌ای آمریکایی، بیشتر عمر خودش را صرف حل معمای علیت معکوس کرده است و تاکنون روش‌های پیشنهادی مختلفی را برای ارتباط کوانتومی غیرمحلی (غیرموضعی) یا علیتی معکوس بررسی کرده و همه آنها را ناقص یافته است.

علیت معکوس کوانتومی

تهدید کوانتومی به مسئله موضعیت (اینکه اجسام دور برای تعامل به واسطه فیزیکی نیاز دارند) از استدلالی نشأت می‌گیرد که جان بل، فیزیکدان اهل ایرلند شمالی در دهه ۱۹۶۰ بیان کرد. بل آزمایش‌هایی را در نظر گرفت که در آن دو فیزیکدان فرضی به‌ نام‌های آلیس و باب، هریک ذرات را از یک چشمه مشترک دریافت می‌کنند. سپس، هریک از آنها تنظیمات متفاوتی را برای اندازه‌گیری را انتخاب می‌کنند و به‌این‌ترتیب، برای هر تنظیم اندازه‌گیری، نتیجه‌ای را ثبت می‌کنند. آنها این اندازه‌گیری‌ها را بارها تکرار می‌کنند و درنهایت به فهرستی از نتایج دست می‌یابند. 

بل متوجه شد که مکانیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کند که همبستگی‌های عجیبی در این داده‌ها وجود دارد. به‌نظر می‌رسید که این همبستگی‌ها به این نکته اشاره می‌کردند که انتخاب آلیس برای محیط اندازه‌گیری تاثیر جزئی غیرموضعی بر نتیجه باب دارد و برعکس. حتی اگر آلیس و باب سال‌های نوری از هم فاصله داشتند بازهم این تاثیر وجود داشت و باعث می‌شد نتایج باهم همخوانی داشته باشند. اما در ذهن اینشتین، این تاثیر رخ نمی‌دهد و نتایج اندازه‌گیری باب و آلیس اغلب باهم اختلاف دارند. این توافق یا عدم توافق، که همبستگی نامیده می‌شود، علامتی است که به یک آزمایش اجازه می‌دهد درباره واقع‌گرایی موضعی تصمیم بگیرد و از این‌رو، گفته می‌شود که استدلال بل برای نظریه نسبیت خاص آلبرت اینشتین که بخش اساسی فیزیک امروزی است به‌مثابه تهدید است.

چالش آزمایش‌های بل

سال ۲۰۲۲ جایزه نوبل فیزیک برای انجام آزمایش‌ها با فوتون‌های درهم‌تنیده، اثبات نقض نامساوی‌های بل (آزمایش‌های بل) و علم اطلاعات کوانتومی پیشگامانه به آلن اسپکت، جان اف کلازر و آنتون زیلینگر اعطا شد. آلن اسپکت، فیزیکدان فرانسوی، در آزمایشی ‌توانست تنظیمات اندازه‌گیری را پس از خروج یک جفت درهم‌تنیده از منبع خودش تغییر دهد به‌این‌ترتیب، تنظیماتی که هنگام انتشار وجود داشت برخلاف آزمایش‌های بل نمی‌توانست روی نتیجه تاثیر بگذارد. جان کلازر، فیزیکدان آمریکایی هم دستگاهی ساخته است که می‌تواند دو فوتون درهم‌تنیده را هم‌زمان ساطع کند و هریک را سمت فیلتری که قطبش آنها را آزمایش می‌کند، روانه کند. نتیجه این آزمایش هم نقض آشکار آزمایش‌های بِل و هم‌سو با پیش‌بینی‌های مکانیک کوانتومی است.

همان‌طورکه گفته شد بل معتقد بود انتخاب آلیس برای محیط اندازه‌گیری تاثیر جزئی غیرموضعی بر نتیجه باب دارد که براساس یافته‌های دانشمندان برنده نوبل فیزیک ۲۰۲۲ این عقیده نقض می‌شود. این درحالی است که مدل‌های علیتی معکوس پیشنهاد می‌کنند که انتخاب‌های اندازه‌گیری آلیس و باب از همان چشمه اولیه یعنی خاستگاهی در گذشته، بر خواص ذرات تاثیر می‌گذارند. به‌این‌ترتیب، می‌توان این همبستگی‌های عجیب را بدون شکستن نسبیت خاص اینشتین، توجیه کرد.