کرم چاله

دانشمندان چگونه با کامپیوتر کوانتومی کرم‌چاله ساختند؟

دوشنبه ۱۲ دی ۱۴۰۱ - ۲۲:۳۰مطالعه 13 دقیقه
ماه گذشته خبر ساخت اولین کرم‌چاله با کامپیوتر کوانتومی به جنجال رسانه‌ای تبدیل شد. آیا می‌توانیم همین فردا چمدانمان را بسته و به مریخ برویم؟
تبلیغات

کرم‌چاله‌ها پای ثابت داستان‌ها و فیلم‌های علمی‌تخیلی پرطرفدار مثل پیشتازان فضا و اینترستلار هستند؛‌ چون نویسنده‌ها می‌توانند با ترفند زیرکانه‌ی استفاده از کرم‌چاله در سفرهای فضایی، مشکل نقض قانون نسبیت عام را که می‌گوید هیچ چیز در عالم هستی نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند، حل کنند. اما در عالم واقعیت، کرم‌چاله‌ها صرفا مفهومی نظری هستند و وجود خارجی ندارند. برخلاف سیاه‌چاله‌ها که زمانی تصور می‌شد صرفا نظری هستند، اما حالا وجودشان در جهان هستی اثبات شده، هنوز هیچ مدرکی دال بر وجود کر‌م‌چاله پیدا نشده است. باور نمی‌کنید؟ کافی است نگاهی به مقاله‌ی چطور در سه مرحله تقریباً غیرممکن کرم‌چاله بسازیم؟ بیندازید تا متوجه شوید تمام مراحلی که تابه‌حال برای ساخت کرم‌چاله پیشنهاد شده، در عالم واقعیت غیرممکن هستند.

کامپیوتر کوانتومی سیکامور گوگل در ساخت «کرم‌چاله» استفاده شد

باوجود غیرممکن بودن ساخت کرم‌چاله، ماه گذشته خبر ساخت اولین کرم‌چاله به‌وسیله کامپیوتر کوانتومی به جنجال رسانه‌ای تبدیل شد. احتمالا شما هم این خبر را شنیده و تصور کرده‌اید کرم‌چاله‌ی واقعی سرانجام پا به جهان هستی ما گذاشته و می‌توان تا چند سال دیگر، شبیه سریال ریک‌اند‌مورتی از طریق آن‌ به جاهای دوردست در فضا تله‌پورت یا حتی به گذشته سفر کرد. اما داستان دقیقا از چه قرار است؟ آیا این کرم‌چاله‌ی کوانتومی می‌تواند انسان‌ها را در یک چشم برهم زدن از یک نقطه در فضا به نقطه‌ی دیگر بفرستد؟ آیا می‌توانیم همین فردا چمدانمان را بسته و به مریخ برویم؟

اجازه بدهید همین ابتدای کار، ماجرا را برایتان روشن کنیم؛‌ کرم‌چاله‌ای که دانشمندان دانشگاه CalTech به‌کمک کامپیوتر کوانتومی «سیکامور» گوگل ایجاد کرده‌اند، به درد سفر در فضا یا زمان نمی‌خورد. درواقع، انتظار نداشته باشید این کرم‌چاله، تونلی بین دو نقطه در فضازمان ایجاد کند که یک سر سیاه‌چاله را به سر دیگر برساند و بتوان از درون آن یک جسم فیزیکی را عبور داد. خیلی ساده بگویم؛ این کرم‌چاله وجود خارجی ندارد.

جوزف لیکن از آزمایشگاه Fermilab که در آزمایش ساخت کرم‌چاله نقش داشت، در یک نشست خبری توضیح داد:‌

ممکن بودن چیزی در نظریه با ممکن بودن آن در عالم واقعیت، متفاوت است. فعلا فکر فرستادن سگ‌تان از میان کرم‌چاله را از سر بیرون کنید.

فیزیکدانی به‌نام مت استراسلر نیز در وبلاگ خود نوشت:

این کرم‌چاله واقعی نیست؛ حتی به واقعیت نزدیک هم نیست؛ حتی به‌سختی می‌توان آن را مدل شبیه‌سازی چیزی دانست که به واقعیت نزدیک نیست. سوال اینجا است که آیا این روش می‌تواند روزی به شبیه‌سازی یک کرم‌چاله‌ی واقعی منجر شود؟ شاید در آینده‌ای دور. اما آیا می‌تواند منجر به ایجاد یک کرم‌چاله‌ی واقعی شود؟ هرگز. البته از منظورم بد برداشت نکنید. کاری که این دانشمندان انجام دادند، بسیار جالب بود! اما جنجال رسانه‌ای که پیرامون این آزمایش شکل گرفت، بیش از حد بود.

پس با این اوصاف، آنچه که دانشمندان با کامپیوتر کوانتومی ایجاد کردند، اگر یک کرم‌چاله‌ی واقعی نیست، پس چیست؟ یک مدل اسباب‌بازی؟ رهبر تیم، ماریا اسپیروپولو از آن به‌عنوان «پروتکل دورنوردی کرم‌چاله»‌ (Wormhole Teleportation Protocol) یاد کرد. نزدیک‌ترین توصیف برایش «شبیه‌سازی» در کامپیوتر کوانتومی است، اما همانطور که استراسلر در بلاگش اشاره کرد، شبیه‌سازی هم اصطلاح کاملا درستی نیست.

Maria Spiropulu
ماریا اسپیروپولو از این آزمایش به‌عنوان «پروتکل دورنوردی کرم‌چاله»‌ یاد می‌کند

فیزیکدانان پیش‌تر موفق به شبیه‌سازی کرم‌چاله در کامپیوترهای کلاسیک شده‌ بودند، اما هیچ سیستم فیزیکی و قابل‌لمسی در این شبیه‌سازی‌ها ایجاد نمی‌شود. به همین دلیل است که نویسندگان مقاله، اصطلاح «آزمایش کوانتومی» را ترجیح می‌دهند؛ چون موفق شده‌‌اند به کمک کامپیوتر کوانتومی سیکامور گوگل، سیستم کوانتومی به‌شدت درهم‌تنیده‌ای را ایجاد کنند و بعد، یک سری ویژگی‌های کلیدی خاص این سیستم را به‌طور مستقیم اندازه‌گیری کنند. این ویژگی‌ها با توصیف‌های نظری از دینامیک کرم‌چاله‌های واقعی که بتوان از میان آن‌ها عبور کرد، سازگار هستند؛ به همین خاطر به آن «کرم‌چاله» می‌گویند. اما باید به این نکته توجه کرد که این به‌اصطلاح کرم‌چاله تنها در یک مدل نظری ساده‌شده‌ی خاصی از فضازمان ایجاد شده است، نه در دنیای فیزیکی.

جوزف لیکن این کرم‌چاله را این‌طور توصیف می‌کند:

کوچک‌ترین و بی‌کیفیت‌ترین کرم‌چاله‌ای که می‌توان ساختش را تصور کرد.

بااین‌حال، حتی در همین حد هم شاید توصیف «مجموعه‌ای از اتم‌ها با ویژگی‌های کرم‌چاله‌مانند» برای نتیجه‌ی این آزمایش دقیق‌تر باشد.

اشتباه نکنید؛ این موضوع چیزی از شگفتی کاری که دانشمندان CalTech موفق به انجامش شده‌اند، کم نمی‌کند؛ چراکه ما تا پیش از این آزمایش، تا این حد به شبیه‌سازی نظریات مربوط به گرانش کوانتومی نزدیک نشده بودیم و اگر این آزمایش با شکست مواجه می‌شد، باید خیال شبیه‌سازی هر نظریه‌ی گرانش کوانتومی دیگری را از سر بیرون می‌کردیم.

از سوی دیگر، آنچه این دستاورد را شگفت‌انگیز و جالب‌توجه می‌کند، استفاده‌ از برخی از تاثیرگذارترین و هیجان‌انگیزترین پژوهش‌های اخیر در فیزیک نظری است. اما برای درک دقیق آنچه در این آزمایش انجام شده و اهمیت آن، باید به سفری پرپیچ‌وخم از میان چند ایده‌ی انتزاعی برویم که حاصل یک قرن پژوهش دانشمندان بزرگی ازجمله آلبرت اینشتین است.

نگاهی به اصل هولوگرافیک

بیایید داستان را با اصل هولوگرافیک شروع کنیم. همان‌طور که پیش‌تر در مقاله‌ی آیا ما در جهان هولوگرافیک زندگی می‌کنیم؟ نوشته بودم، این نظریه‌ی حیرت‌آمیز برای اولین بار چیزی حدود ۳۰ سال پیش توسط فیزیکدان دانشگاه استنفورد، لئونارد ساسکیند مطرح شد. اصل هولوگرافیک که برگرفته از نظریه‌‌ی جنجالی ریسمان است، می‌گوید جهانی که در آن زندگی می‌کنیم و فکر می‌کنیم سه‌بعدی است، چون به نظر می‌توان هر چیزی را در ابعاد طول، عرض و ارتفاع آن لمس و تجربه کرد؛ در حقیقت احتمالا فقط دو بعد دارد و عمقی در کار نیست!

اصل هولوگرافیک ابتدا به‌عنوان راه‌حلی برای پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله در دهه‌ی ۱۹۹۰ مطرح شد که درواقع تناقضی بین مکانیک کوانتومی و نسبیت عام است.

سیاه‌چاله‌ها طبق توصیف نسبیت عام، اجرام ساده‌ای هستند. تنها چیزی که برای توصیف آن‌ها به زبان ریاضی نیاز دارید، جرم، سرعت چرخش و بار الکتریکی‌شان است. برای همین، اگر چیزی را داخل سیاه‌چاله پرتاب کنید، هیچ تغییر محسوسی در آن ایجاد نخواهد شد و انگار جسم، به‌طور کامل بلعیده شده و اطلاعات مربوط به آن از بین رفته است.

پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله، تناقضی بین مکانیک کوانتومی و نسبیت عام

اما وقتی گرانش کوانتومی پا به صحنه می‌گذارد، دردسرها شروع می‌شود؛ چراکه طبق قوانین مکانیک کوانتومی، هر چیزی، (چه ماده چه انرژی) می‌تواند به تکه‌هایی از اطلاعات، مثلا رشته‌هایی از صفر و یک تبدیل شود. درنتیجه، اطلاعات هرگز ناپدید نمی‌شوند؛ حتی اگر ماده یا انرژی مرتبط با آن درون سیاه‌چاله مکیده شود.

برعکس دیدی که نسبیت عام به سیاه‌چاله‌ها دارد، از نظر مکانیک کوانتومی، سیاه‌چاله‌ها اجرام فوق‌العاده پیچیده‌ای هستند و به همین خاطر باید حاوی حجم عظیمی از اطلاعات باشند.

یاکوب بکنشتاین، فیزیکدان نظری، در سال ۱۹۷۴ متوجه شد که سیاه‌چاله‌ها آنتروپی نیز دارند و مقدار آن معین و متناسب با سطح دوبعدیِ افق رویداد سیاه‌چاله است. استیون هاوکینگ می‌خواست اثبات کند که بکنشتاین اشتباه می‌کند و درون سیاه‌چاله خبری از آنتروپی نیست، اما تلاش‌هایش درعوض او را به این نتیجه رساند که سیاه‌چاله‌ها باید نوعی تابش گرمایی داشته باشند که احتمالا راهی برای فرار اطلاعات از سیاه‌چاله و در نتیجه نجات‌ آن‌ها از ناپدید شدن است.

اینطور شد که هاوکینگ نظریه‌ی «تابش هاوکینگ» را مطرح کرد؛‌ اینکه سیاه‌چاله‌ها برخلاف چیزی که مدت‌ها تصور می‌شد، دارای دما هستند و در طول زمان، مقدار اندکی پرتو ساطع می‌کنند. در نهایت وقتی انرژی آن‌ها به‌طور کامل از افق رویداد محو شود، خود سیاه‌چاله باید طی فرایندی به نام تبخیر سیاه‌چاله (Black Hole Evaporation) به‌طور کامل ناپدید شود. اما پس چه بر سر اطلاعات درون سیاه‌چاله می‌آید؟ آیا به‌طور کامل از بین می‌روند و قوانین فیزیک کوانتوم نقض می‌شود، یا اینکه به نحوی در تابش هاوکینگ جان سالم به در می‌برند و تناقض برطرف می‌شود؟

و حالا می‌رسیم به اصل هولوگرافیک که قصد داشت این پارادوکس را حل کند؛ ساسکیند و خرارد هوفت (فیزیکدان هلندی) در اواسط دهه‌ی ۹۰ این نظریه را مطرح کردند که وقتی جسمی درون سیاه‌چاله کشیده می‌شود، روی افق رویداد نقشی دوبعدی از خود به‌ جای می‌گذارد. هنگام تابش هاوکینگ، پرتوی ساطع‌شده از سطح سیاه‌چاله، این نقش دوبعدی را به خود می‌گیرد و به این ترتیب از محو شدن اطلاعات به همراه سیاه‌چاله جلوگیری می‌شود. این دو فیزیکدان سپس این نظریه را از سیاه‌چاله به کل جهان هستی بسط دادند و آن را به یک هولوگرام تشبیه کردند؛ اینکه جهان سه‌بعدی ما با تمام شکوه و عظمتش درواقع از دل یک «کد منبع» دو‌بعدی بیرون آمده است (نظریه‌ای که البته هنوز ثابت نشده است!)

تصویر مفهومی از کرم‌چاله
تصویر مفهومی از آزمایش کوانتومی مطالعه کرم‌چاله‌ عبورپذیر

بعد از مطرح شدن اصل هولوگرافیک، نوبت به خوان مالداسنا رسید؛ این فیزیک‌دان نظری آرژانتینی در سال ۱۹۸۹ با کشف تناظری که به دوگانی مالداسنا (AdS/CFT) مشهور است، نشان داد چگونه یک جهان فرضی می‌تواند هولوگرام باشد. او توانست دو مفهوم ناسازگار در فیزیک، یعنی نظریه‌ی گرانش و نظریه‌ی میدان کوانتومی را زیر یک چارچوب نظری کنار هم بیاورد.

اصل هولوگرافیک، راه‌حلی برای پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله

جهان فرضی مالداسنا به شکل فضای پاددوسیتر (AdS) در نظر گرفته شده است. این فضا به بیان ساده، هیچ ماده یا انرژی در خود ندارد (در نتیجه خبری از گرانش نیست) و در فاصله‌ای بسیار بسیار دور، به سمت داخل خمیده می‌شود؛ این در حالی است که منتهی‌الیه جهان واقعی ما که به آن فضای دوسیتر (de Sitter space) گفته می‌شود، مسطح است و خمیدگی ندارد.

نظریه AdS/CFT
تصویر تناظر AdS/CFT (اصل هولوگرافیک) در فیزیک نظری

دوگانگی در فیزیک به مدل‌هایی اشاره دارد که به نظر متفاوت می‌آیند، اما می‌توان از آن‌ها برای توصیف پدیده‌های فیزیکی متناظر استفاده کرد. مثلا، یخ، آب و بخار سه فاز مختلف یک ماده‌ی شیمیایی یکسان هستند؛ دوگانگی نیز به یک پدیده به دو صورت متفاوت و البته معکوس نگاه می‌کند.

درمورد نظریه‌ی AdS/CFT، دوگانگی بین مدل جهان فرضی AdS و یک سیستم کوانتومی به‌نام «نظریه میدانی همدیس» (CFT) است که به‌جای گرانشی که ما در جهان هستی می‌شناسیم، دارای درهم‌تنیدگی کوانتومی است.

علت سردرگمی درباره‌ی ماهیت «چیزی» که دانشمندان CalTech از این آزمایش به دست آورده‌اند، به همین مفهوم دوگانگی برمی‌گردد. ماجرا این است که دانشمندان کرم‌چاله‌ی فیزیکی و واقعی ایجاد نکرده‌اند، بلکه صرفا ویژگی‌های برخی از ذرات کوانتومی درهم‌تنیده را در فضازمان مسطح و معمولی خودمان دستکاری کرده‌اند؛ بااین‌حال، ویژگی‌های این سیستم به‌گونه‌ای است که ما را یاد کرم‌چاله می‌اندازد؛ برای همین برخی از آن به‌عنوان کرم‌چاله یاد کرده‌اند.

وصل کردن نظریه‌ی ER به نظریه EPR

بیایید برای چند لحظه به روزهای اولیه‌ی شکل‌گیری مکانیک کوانتومی برگردیم. آلبرت اینشتین در سال ۱۹۳۵ به‌همراه نیتان روزن و بوریس پودولسکی دست به یک آزمایش فکری زد که بسیار معروف شد. او در طول این آزمایش، عجیب و غیرمنطقی بودن پدیده‌ای را نشان داد که به آن «رفتاری عجیب در دوردست» می‌گفت. منظور اینشتین از این رفتار عجیب و غیرمنطقی، نظریه‌ی درهم‌تنیدگی (Quantum Entanglement) بود و با این آزمایش قصد داشت نشان دهد مکانیک کوانتومی نظریه‌ی کاملی نیست. این فرضیه به پارادوکس EPR یا پارادوکس اینشتین-پودولسکی-روزن معروف است.

اما اینشتین همراه با روزن مقاله‌ی دیگری نیز در همان سال نوشت که البته از شهرت بسیار کمتری از پارادوکس EPR برخوردار است. این دو با ریاضیات نسبیت عام نشان دادند که وقتی یک سیاه‌چاله متولد می‌شود، به‌طور خودکار یک سفید‌چاله‌ چسبیده به آن نیز ایجاد می‌شود که در مرکز خود نقطه‌ی تکینگی دارد، اما افق رویدادش درست برعکس سیاه‌چاله‌ عمل می‌کند؛ به این معنی که هیچ چیزی نمی‌تواند وارد سفیدچاله شود و هرچیزی که در لحظه‌ی شکل‌گیری سفیدچاله داخل آن باشد، سریع‌تر از سرعت نور به بیرون پرتاب می‌شود. وقتی هم که یک سیاه‌چاله و یک سفیدچاله‌ی چسبیده به هم داشته باشیم، یعنی یک در ورودی و یک در خروجی و این همان تعریف سازوکار کرم‌چاله است. البته آن‌روزها هنوز نام کرم‌چاله سر زبان‌ها نیفتاده بود و به این فرضیه، «پل اینشتین-روزن» یا نظریه‌ی ER می‌گفتند. (البته اگر دقت کرده باشید، شخصیت جین فاستر در فیلم تور نیز بنا‌به‌دلایلی به کرم‌چاله‌ها پل اینشتین-روزن می‌گوید.)

اینشتین - روزن
اینشتین و روزن در مقاله‌ای در سال ۱۹۳۵ به امکان وجود کرم‌چاله پی بردند

حالا از آن روزها فاصله بگیرید و با ما به سال ۲۰۱۳ بیایید. در این سال، ساسکیند و مالداسنا نظریه‌ی جنجالی عجیبی مطرح کردند و نام آن را ER = EPR گذاشتند؛ آن‌ها گفتند دو فرضیه‌ی در ظاهر متفاوت اینشتین، یعنی EPR و ER در اصل یکی هستند و آن را به‌عنوان راه‌حلی برای پارادوکس اطلاعات سیاه‌چاله ارائه دادند.

ER = EPR : کرم‌چاله‌ها در فضازمان همان درهم‌تنیدگی کوانتومی هستند

ساسکیند و مالداسنا این‌طور استدلال کردند که کرم‌چاله‌ها معادل پدیده‌ی درهم‌تنیدگی هستند؛ شاید نقطه‌هایی در فضازمان که به نظر ما دور می‌آیند، آنقدر هم دور نیستند و درواقع توسط کرم‌چاله‌های میکروسکوپی نامرئی که توسط پدیده‌ی درهم‌تنیدگی ایجاده شده‌اند، این نقاط به‌ظاهر دوردست را به هم وصل می‌کنند. در این سناریو، کرم‌چاله بین سیاه‌چاله و تابش هاکینگ آن ایجاد می‌شود؛ البته نسخه‌ای به‌مراتب پیچیده‌تر از آنچه تاکنون فکر می‌کردیم، با رشته‌های بسیار که به هر یک از تکه‌های تابش هاوکینگ ختم می‌شوند. بدین‌ترتیب، اطلاعات از نابودی در امان می‌مانند. دوگانگی ER مساوی است با EPR مبتنی بر این نظریه‌ی آزمایش‌نشده است که می‌گوید کرم‌چاله‌ها نمود هندسی در‌هم‌تنیدگی کوانتومی هستند. به‌عبارت دیگر، «رفتار عجیب در دوردست» یا همان درهم‌تنیدگی کوانتومی باعث ایجاد فضازمان می‌شود.

مالداسنا و ساسکیند
مالداسنا و ساسکیند در سال ۲۰۱۳ نظریه ER = EPR را مطرح کردند: کرم‌چاله‌ها در فضازمان همان درهم‌تنیدگی کوانتومی هستند

در سال ۲۰۱۷، یکی از نویسندگان مقاله‌ به‌نام دنیل جفریس از دانشگاه هاروارد، همراه با پینگ گائو و آرون وال، موفق شد نظریه‌ی ER = EPR را به کرم‌چاله‌های عبورپذیر بسط دهد و دوگانگی دیگری را به معرض نمایش بگذارد؛ اینکه کرم‌چاله‌ی عبور‌پذیر درواقع روی دیگر دورنوردی کوانتومی (Quantum Teleportation) است که طی آن، اطلاعات از طریق در‌هم‌تنیدگی از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر در فضا منتقل می‌شوند. همین دو سال پیش بود که گروه دیگری از فیزیکدانان نشان دادند که دینامیک یک سیستم کوانتومی ساده می‌تواند معادل اثرات گرانش کوانتومی باشد؛ به این معنی که شاید آزمایش این دوگانگی در پردازنده‌های کوانتومی ممکن باشد. این مدل با‌توجه به نام نویسندگانش (Sachdev-Ye-Kitaev)، به مدل SYK معروف است.

کامپیوتر کوانتومی سیکامور گوگل وارد می‌شود

خب حالا تمام این بحث‌ها چه ارتباطی با مقاله‌ی منتشر شده درباره‌ی ایجاد کرم‌چاله دارد؟ هشدار: از اینجا به بعد،‌ داستان کمی پیچیده می‌شود و نیازمند دانش کافی درباره‌ی مباحث فیزیک کوانتومی است.

ارتباط تمام مواردی که تااینجا درباره‌اش صحبت شد با آزمایش ساخت کرم‌چاله در این است که نویسندگان مقاله از آن‌ها به‌عنوان چارچوبی برای آزمایش‌ خود استفاده کردند تا نسخه‌ی کوچک و بسیار ساده‌شده‌ی مدل SYK را بسازند. در یک سمت از سیستم کوانتومی SYKمانند آن‌ها، درهم‌تنیدگی کوانتومی و دورنوردی کوانتومی قرار دارد و در سمت دیگر، دینامیک گرانشی، و عاملی که این دو را به هم پیوند می‌زند، همان دوگانگی ER = EPR است. این تیم یک حالت درهم‌تنیده بین دو سمت ایجاد کرد که هر کدام دارای هفت فرمیون مایورانا (فرمیونی که پادذره خودش است) بود؛ تقریبا مشابه کرم‌چاله‌ای در t=0. برای رمزنگاری آن هم از هفت کیوبیت استفاده کردند.

کامپیوتر کوانتوم سیکامور گوگل
کامپیوتر کوانتوم «Sycamore» گوگل

در مرحله بعدی، دانشمندان «دهانه‌» سمت چپ و راست این به‌اصطلاح «کرم‌چاله» را جابه‌جا کردند تا سیستم کوانتومی را به‌نوعی به‌صورت عقب‌گرد در زمان تکامل دهند. سپس، یک کیوبیت را به‌عنوان «مرجع» در نظر گرفتند و آن را با کیوبیت دیگری به‌عنوان «کاوشگر» درهم‌تنیده کردند. بدین‌ترتیب، تعداد کیوبیت‌های مدار به ۹ رسید. کیوبیت کاوشگر (probe) سپس با یکی از کیوبیت‌هایی که در دهانه‌ی سمت چپ قرار داشت، تعویض شد؛ تقریبا مثل این که ذره‌ای وارد یکی از دهانه‌های کرم‌چاله شود. با تکامل رو‌به‌جلوی کرم‌چاله، اطلاعاتی که بر دوش کیوبیت کاوشگر بود، طی فرایند درهم‌ریختگی کوانتومی (Quantum Scrambling) در کل سیستم پراکنده شد.

این دانشمندان در مرحله‌ی بعد، یک سری عملیات کوانتومی در سطح برهم‌کنش درهم‌تنیده را روی سیستم پیاده کردند. در سمت گرانشی سیستم، این برهمکنش معادل تزریق یکباره‌ی انرژی منفی (انرژی میدان‌های بدون ذره) در فضازمان است. این اتفاق از اهمیت زیادی برخوردار است؛ چراکه کرم‌چاله‌ها ذاتا ناپایدار هستند و اگر چیزی بخواهد از میان آن‌ها عبور کند، بلافاصله فرو می‌ریزند. برای اینکه بتوان دهانه‌ی کرم‌چاله را برای مدت کافی باز نگه داشت تا جسم مورد نظر از میان آن عبور کند، لازم است نوعی انرژی منفی به آن اضافه شود. نکته اینجا است که در فیزیک کلاسیک، انرژی منفی وجود ندارد، اما در مکانیک کوانتومی چرا؛ به‌ویژه در جفت‌های ذرات مجازی که به مدت بسیار کوتاهی در خلا فضا ظاهر می‌شوند و تقریبا بلافاصله از بین می‌روند. این انرژی خلا درواقع مکانیزم زیربنایی تابش هاوکینگ است.

ناتوانی در تولید انرژی منفی کافی دلیل علمی‌تخیلی بودن کرم‌چاله‌ها

البته، هنوز هیچ راهی پیدا نشده تا بتوان به اندازه‌‌ای انرژی منفی تولید کرد تا در عالم واقعیت، دهانه‌ی کرم‌چاله‌ای عبورپذیر در مقیاس بزرگ را باز نگه دارد. به همین دلیل است که کرم‌چاله‌ها هنوز نتوانسته‌اند از حوزه‌ی داستان‌های علمی‌تخیلی فراتر روند.

اما در مقیاس کوچک این آزمایش، دانشمندان چیزی شبیه موج‌شوکی از انرژی منفی ایجاد کردند که توانست این «کرم‌چاله‌» کوچک را آنقدر پایدار نگه دارد تا کیوبیت کاوشگر از میان آن عبور کند. تزریق انرژی مثبت نیز باعث بسته شدن دهانه می‌شود. با تکامل رو‌به‌جلوی «کرم‌چاله»، اطلاعات درهم‌ریخته از کیوبیت در حال عبور به‌طور تدریجی به دهانه‌ی سمت راست سیستم منتقل شد.

پژوهشگران با اندازه‌گیری میزان در‌هم‌تنیدگی بین کیوبیت مرجع و کیوبیتی که در دورترین فاصله از آن در سمت راست دهانه‌ی کرم‌چاله بود، انتقال اطلاعات را تایید کردند. در مرحله‌ی تزریق انرژی منفی، در‌هم‌تنیدگی به‌مراتب بیشتری از مرحله‌ی تزریق انرژی مثبت وجود داشت که این نشان می‌دهد اطلاعات از طریق مکانیزمی با فیزیکی مشابه کرم‌چاله‌ی عبورپذیر، منتقل شده‌اند.

اردک کوانتومی فوق‌العاده کوچک

آزمون مرغابی (Duck test) نمونه‌ای از استدلال منطقی است که بین انگلیسی‌زبان‌ها به‌صورت اصطلاح، بسیار رایج است. این آزمون این‌طور استدلال می‌کند که «اگر چیزی شبیه اردک به نظر می‌رسد، مثل اردک شنا می‌کند و صدای اردک درمی‌آورد، آن چیز احتمالاً اردک است.»

جوزف لیکن، یکی از نویسندگان مقاله، از استدلال آزمون مرغابی استفاده می‌کند تا بگوید آنچه اعضای تیم موفق به ایجادش شدند، از ویژگی‌های کرم‌چاله بهره‌مند است، پس می‌توان به آن کرم‌چاله گفت.

ما در این آزمایش عملا دری ایجاد کردیم که مدتی باز است و بعد دوباره بسته می‌شود. کرم‌چاله هم مقیاس زمانی خودش را دارد و لازم است که در زمان مناسب از داخل آن عبور کرد.

اما خب، اردک آن‌ها فوق‌العاده کوچک است؛ براساس نظریه‌ی جفریس، کرم‌چاله‌ای به‌کوچکی یک الکترون، ۱۰۴۵ برابر در‌هم‌تنیدگی بیشتری از مدلی که دانشمندان CalTech ایجاد کردند، دارد. خلاصه بگوییم، رفتار اتم‌ها در این آزمایش دقیقا همانی بود که می‌شد با مکانیک کوانتوم سنتی دهه‌ی ۱۹۲۰ پیش‌بینی کرد. اما نکته‌ جالب‌توجه درباره‌ی این آزمایش این است که ما حالا یک مدل دوگانه‌ی جدیدی در اختیار داریم تا با آن رفتار برخی از سیستم‌های خاص را توصیف کنیم.

اسپیروپولو می‌گوید زمانی که برای اولین بار نتایج آزمایش را به ساسکیند نشان داد، به او گفت:

البته که باید همین نتیجه را مشاهده می‌کردی. من که به تو گفته بودم. از سال ۲۰۱۵ تا حالا دارم می‌گویم که در این مورد حق با من است.

جفریس می‌گوید اگر اینشتین زنده بود، به همان دلیلی که نویسندگان داستان‌های علمی‌تخیلی عاشق استفاده از ترفند کرم‌چاله هستند، از مدل دورنوردی کرم‌چاله‌ای اسپیروپولو و همکارانش استقبال می‌کرد. یکی از چیزهایی که در مورد درهم‌تنیدگی، فیزیکدانان بزرگ را آزرده کرده بود این موضوع بود که اطلاعات به‌نظر می‌رسید سریع‌تر از سرعت نور منتقل می‌شوند و این اصل علیت را نقض می‌کند. اما در این آزمایش، چون کیوبیت از میانبر کرم‌چاله استفاده می‌کند، دیگر نمی‌توان گفت سریع‌تر از نور حرکت کرده است.

کرم‌چاله در فضازمان

اگرچه اعضای تیم به نتیجه‌ی آزمایش خود امیدوار هستند و با هیجان از آن به‌عنوان کرم‌چاله یاد می‌کنند، برخی از فیزیکدانانی که در این پروژه شرکت نداشتند، با احتیاط و تردید به آن واکنش نشان دادند. اسکات آرونسون از دانشگاه تگزاس به نیویورک تایمز گفت:

گفتن اینکه این آزمایش یک کرم‌چاله‌ی فیزیکی را به عالم واقعیت آورده است، مثل این است که بگوییم هر بار کرم‌چاله‌ای را روی کاغذ ترسیم می‌کنیم، آن را به عالم واقعیت آورده‌ایم.

دانیل هارلو از دانشگاه MIT نیز می‌گوید مدل زیربنایی گرانش کوانتومی مورد استفاده در این آزمایش به‌حدی ساده است که نمی‌توان از آن انتظار تولید کرم‌چاله‌ واقعی داشت.

از نظر من، این آزمایش هیچ چیز جدیدی به آنچه قبلا در مورد گرانش کوانتومی می‌دانستیم،‌ اضافه نکرد. اما از سوی دیگر، من فکر می‌کنم که این آزمایش، یک دستاورد فنی هیجان‌انگیز است، چون اگر قرار بود حتی در این حد هم نتوانیم (که تا پیش از این آزمایش نمی‌توانستیم)، آن‌وقت باید قید شبیه‌سازی تمام نظریات جالب گرانش کوانتومی را می‌زدیم.

خود نویسندگان مقاله می‌گویند که این آزمایش تازه اولین گام است. لیکن می‌گوید:

صحبت فقط سر کرم‌چاله نیست. ما در تلاشیم تا به درک کاملی از آنچه وجود کرم‌چاله‌ها را ممکن می‌کند، برسیم.

از لحاظ نظری، اگر این تیم دو کامپیوتر کوانتومی را در دو نقطه‌‌ی رو‌به‌روی هم در دو سر کره زمین مستقر می‌کردند، یا مثلا یکی را در آزمایشگاهی در Caltech و دیگری را در آزمایشگاه هاروارد قرار می‌دادند، آن‌وقت نسخه‌ی بهبودیافته‌ی این تکنولوژی می‌توانست اطلاعات کوانتومی را از یک سر به سر دیگر آن منتقل کند. با ادامه‌ی پیشرفت کامپیوترهای کوانتومی و فرصت‌های بیشتری برای آزمایش‌های دقیق‌تر، می‌توان امید داشت که دانشمندان روزی بتوانند به فضای درونی کرم‌چاله‌های کوچک‌شان ورود کنند و با درک بهتر از سازوکار آن‌ها، از کجا معلوم؛ شاید سرانجام روزی فرا برسد که کرم‌چاله‌ی واقعی نیز ساخته شود.

تبلیغات
داغ‌ترین مطالب روز

نظرات

تبلیغات