در دنیای کوانتومی اثر پروانه ای نمی‌تواند سفر در زمان را مختل کند

اثر پروانه ای (Butterfly Effect) بخش مهمی از داستان‌های علمی تخیلی مربوط به سفر در زمان بوده که بر اساس تحقیقات جدید فیزیک کوانتوم، نیاز به هیچ گونه نگرانی در مورد آن وجود ندارد!

تازه‌ترین تحقیقات دانشمندان فیزیک کوانتوم نشان داده که موضوع جنجالی اثر پروانه ای (Butterfly Effect) تاثیر خاصی در سفر در زمان ندارد. به بیان دیگر، نیازی نیست تا نگران تاثیرات بزرگ و عظیم ناشی از ایجاد تغییرات کوچک در گذشته باشیم.

برای رسیدن به درکی کلی در مورد موضوع اثر پروانه‌ای در بحث سفر در زمان، این سناریو را تصور کنید؛ یک قهرمان داستان علمی تخیلی با سفر به گذشته، آدولف هیتلر را در دوران کودکی پیدا می‌کند و برای جلوگیری از وقوع جنگ جهانی دوم، هیتلر خردسال را در مسیر صلح و انسان دوستی قرار می‌دهد.

با این حال اگر این نوع از فیلم‌های علمی تخیلی را دیده باشید، می‌دانید که داستان‌های این‌چنینی همیشه دردسرهای خاص خود را دارند و به احتمال قوی، تغییراتی که قهرمان داستان در زندگی هیتلر ایجاد کرده، باعث می‌شود تا مشکلات بزرگ‌تری در سطح جهانی بروز کنند و در نهایت، نتیجه‌ای فوق‌العاده بدتر از جنگ جهانی در انتظار بشر باشد.

این موضوع به بیان ساده با نام اثر پروانه ای شناخته می‌شود؛ اصطلاح به کار رفته در مورد این پدیده به بال زدن یک پروانه در قسمتی از کره زمین و به راه افتادن طوفان در قسمت دیگری از سیاره در اثر این بال زدن اشاره دارد و می‌توان گفته که با به کار گیری این اصطلاح، قصد ما اشاره به بروز تغییراتی بزرگ در اثر اتفاقاتی کوچک و فوق‌العاده جزئی است.

فیزیک کوانتوم و اثر پروانه ای

با این تفاسیر، با فاصله گرفتن از دنیای داستان‌های علمی تخیلی و ورود به دنیای فیزیک کوانتوم، به تازه‌ترین تحقیق دانشمندان در این رابطه می‌رسیم؛ در واقع فیزیکدانان می‌گویند که دست‌کاری تاریخ در مقیاس کوانتومی تاثیرات مشکل‌ساز اثر پروانه ای را به وجود نمی‌آورد.

از آنجایی که هنوز بشریت به فناوری و دانش لازم برای ساخت وسیله سفر در زمان دست نیافته، دو فیزیکدان آزمایشگاه ملی لس آلاموس آمریکا به سراغ گزینه بعدی، یعنی کامپیوتر کوانتومی قدرتمند شرکت آی بی ام (IBM) رفته‌اند.

نیکولای سینیتسین (Nikolai Sinitsyn)، فیزیکدان تئوری از لس آلامس می‌گوید که کامپیوتری‌های کوانتومی می‌توانند به راحتی شبیه‌سازی‌های سفر در زمان را عملی کرده و جهت گذر زمان فرآیندهای گوناگون را برعکس کنند و به گذشته بروند.

البته مطمئنا شبیه‌سازی‌های چنین کامپیوترهایی در مقایسه با دنیایی پر از انسان و وقایع تاریخی به هیچ وجه پیچیده به حساب نمی‌آیند؛ اما تنها در اختیار داشتن چندین حالت کوانتومی مرتبط با هم از طریق این کامپیوترها برای دانشمندانی مانند سینیتسین که قصد بررسی موضوع اثر پروانه ای را دارند، فوق‌العاده مفید و کاربردی است.

سینیستین در این رابطه می‌گوید که از طریق شبیه‌سازی‌های کوانتومی مورد نظر می‌توان عملا به گذشته سفر کرد، تغییرات کوچکی را به وجود آورد و در نهایت، تاثیر این تغییرات در حالت پایانی آزمایش را مورد بررسی قرار داد. این دانشمند می‌گوید که به صورت کلی، تحقیقات او و همکارش نشان داد که دنیای کوانتومی پیچیده آن‌ها در آخر جان سالم به در می‌برد و از این طریق می‌توان گفت که در مکانیک کوانتوم چیزی به نام اثر پروانه ای وجود ندارد.

نظریه آشوب

به نظر می‌رسد که برای اولین بار، در سال 1952 نویسنده‌ای به نام ری بردبری (Ray Bradbury) در داستان کوتاهش، «صدای طوفان» (A Sound of Thunder) موضوع اثر پروانه‌ای را وارد دنیای داستان‌های علمی تخیلی کرد. در این داستان شخصیت اصلی با پا گذاشتن روی یک پروانه تغییرات مهمی را در آینده به وجود می‌آورد.

با این حال در دنیای فیزیک، مبحث «نظریه آشوب» (chaos theory) به شکلی ویژه و آکادمیک بحث اثر پروانه ای را مورد بررسی قرار می‌دهد. در سال 1972، هواشناسی از دانشگاه ام آی تی به نام ادوارد لورنز (Edward Lorenz) در سخنرانی با عنوان «آیا بال زدن یک پروانه در برزیل، طوفانی را در تگزاس به راه می‌اندازد؟» به داغ شدن بحث تاثیر پروانه‌ای در دنیای آکادمیک کمک کرد.

درست همانند داستان بردبری، نظریه آشوب هم تاثیرات بزرگ و گسترده‌ای را با وقوع یک اتفاق جزئی، به دنبال دارد و از آنجایی که پیچیدگی تاثیرات جانبی فوق‌العاده زیاد بوده، امکان پیش‌بینی آن‌ها وجود نخواهد داشت.

با این حال می‌توان در مدلی بسیار ساده، تکه‌های دومینو را به عنوان روشی برای شبیه‌سازی تاثیر پروانه‌ای در فیزیک کلاسیک در نظر گرفت؛ در این حالت، هر تکه دومینو رفتاری مشخص و قابل پیش‌بینی خواهد داشت. این در حالی بوده که تا پیش از تحقیقات سینیتسین و همکارش کسی نمی‌دانست که اثر پروانه‌ای در دنیای کوانتوم با سری قوانین خاصش، چگونه عمل خواهد کرد.

دنیای کوانتوم

برای این کار، سینیتسن و همکارش، بین یان (Bin Yan)، دست به آزمایش‌هایی زدند تا مشخص کنند که با بازگرداندن تعامل‌هایی که امواج کوانتوم را در هم تنیده می‌کنند، به حالت اولیه و اعمال تغییری مشابه تاثیر پروانه‌ای، چه اتفاقی در آینده خواهد افتاد.

امواج کوانتومی در هم تنیده، با نام کیوبیت (qubit) شناخته می‌شوند؛ در مورد جزئیات انجام آزمایش‌ها می‌توان گفت که تیم دانشمندان آزمایشگاه لس آلامس چندین کیوبیت در هم تنیده را از دروازه‌های منطقی عبور دادند و سپس آن‌ها را به حالت‌های اولیه باز گرداندند. در این حالت اندازه‌گیری‌هایی انجام شد و احتمالات موجود به قطعیات تبدیل شدند و عملا اثر پروانه ای در این مرحله اعمال شد. سپس کل فرآیندها مجددا تکرار شدند.

یان در این رابطه می‌گوید که اگر در مرحله حیاتی حالت‌های کوانتومی، اندازه‌گیری‌های مخربی صورت بگیرند، همچنان امکان بازیابی اطلاعات حیاتی وجود دارد؛ به بیان ساده‌تر در دنیای کوانتوم چیزی به نام تاثیر پروانه‌ای وجود ندارد.

یان و سینیتسن در مقاله تهیه شده اظهار کرده‌اند که تاریخ در هم تنیده کیوبیت‌ها مجموعه‌ای حساس و تاثیر پذیر از متغیرهای قابل مختل شدن نبوده، بلکه این تاریخ آینده کیوبیت‌ها را حفظ می‌کند. به بیان دیگر هرچه سفر کیوبیت ما در زمان پیچیده‌تر باشد، احتمال بازگشت کیوبیت به حالت کنونی بدون بروز تغییرات حیاتی بالاتر می‌رود.

کاربرد نتایج تحقیقات اثر پروانه ای

البته متاسفانه نتایج به دست آمده توسط این دانشمندان ما را به ساخت دستگاه سفر در زمان و یا موفقیت‌های دیگر در این زمینه نزدیک نمی‌کنند، اما می‌توان اطمینان داشت که از این طریق، اطلاعات مهمی در مورد سیستم‌های کوانتومی در اختیار دانشمندان مکانیک کوانتوم قرار گرفته و در ساده‌ترین کاربرد ممکن، این دانشمندان می‌توانند از طریق اندازه‌گیری اثر پروانه ای در سیستم‌های مورد نظر، آن‌ها را مورد آزمایش قرار دهند.

سینتسین در این باره می‌گوید که ایده نظریه آشوب در دنیای فیزیک کلاسیک و فیزیک کوانتوم باید از زاویه‌های متفاوت دیده شوند.

مقاله این تیم تحقیقاتی در ژورنال “Physical Review Letters” منتشر شده است.