انقلابی در فیزیک: دانشمندان موفق به بازگرداندن امواج در زمان شدند

ایده‌ی وجود «آینه‌های زمانی» یا همان بازتاب زمان، برای دهه‌ها تنها در قلمرو تئوری‌های فیزیک قرار داشت. فیزیک‌دانان نظری همواره به‌صورت فرضی این امکان را بررسی می‌کردند که شاید روزی بتوان بازتاب زمان را در آزمایشگاهی واقعی مشاهده کرد.

اگرچه این مفهوم در ظاهر شبیه به داستان‌های علمی‌تخیلی است، اما معادلات مکانیک کوانتومی سال‌ها پیش نشانه‌هایی از امکان وقوع چنین پدیده‌ای را بروز داده بودند.

اکنون، تیمی از پژوهشگران به سرپرستی حسین موسى از مرکز تحقیقات علوم پیشرفته (ASRC) در مرکز تحصیلات تکمیلی دانشگاه شهری نیویورک (CUNY)، موفق شده‌اند با انجام آزمایشی خیره‌کننده، وجود واقعی این پدیده را اثبات کنند. آنها توانستند با تغییر ناگهانی و یکنواخت در ویژگی‌های یک دستگاه خاص، جهت حرکت سیگنال‌ها را در زمان معکوس کنند و بدین ترتیب، برای نخستین‌بار، بازتاب زمانی را به‌صورت واقعی مشاهده و اندازه‌گیری نمایند.

همچنین بخوانید: ناسا هشدار داد: زمین در مسیر یک طوفان خورشیدی عظیم قرار دارد

بازتاب زمان چگونه کار می‌کند؟

در بازتاب زمانی، برخلاف بازتاب‌های عادی که در آنها نور یا صدا در فضا منعکس می‌شود، موج‌ها در «زمان» بازمی‌گردند. این بدان معناست که بخشی از سیگنال به‌جای حرکت رو به جلو، مسیر خود را در جهت زمانی معکوس ادامه می‌دهد. این پدیده به مثابه نگاه‌کردن به آینه‌ای است که به‌جای صورت، پشت سرتان را نشان می‌دهد. هرچند عجیب به نظر می‌رسد، اما پایه‌ای کاملاً علمی در فیزیک دارد.

پژوهشگران از دهه‌ها پیش پیش‌بینی کرده بودند که تغییر ناگهانی در محیط انتشار یک موج می‌تواند منجر به وارونگی زمانی آن شود. در چنین حالتی، نه‌تنها جهت حرکت موج تغییر می‌کند، بلکه فرکانس آن نیز دگرگون می‌شود و این امر می‌تواند زنجیره‌ای از پدیده‌های نوظهور و پیچیده را در سیستم ایجاد کند.

نقش متامتریال‌ها در ایجاد آینه‌های زمانی

برای دستیابی به این هدف، تیم تحقیقاتی از ساختاری موسوم به «متامتریال» استفاده کرد؛ موادی مهندسی‌شده که می‌توانند رفتار موج‌های الکترومغناطیسی را به‌طرز نامعمولی کنترل کنند. آنها با تنظیم دقیق اجزای الکترونیکی روی یک نوار فلزی و افزودن خازن‌ها و کلید‌های الکترونیکی، موفق به ایجاد یک پرش ناگهانی در امپدانس سیستم شدند.

امپدانس که معیاری از مقاومت ساختار در برابر جریان الکتریکی است، در این آزمایش ناگهان دو برابر شد. این جهش موجب وارونگی زمانی موج شد. در واقع، تنظیم دقیق امپدانس در لحظه‌ی مناسب، کلید دستیابی به بازتاب زمانی بود.

نتیجه‌ی این فرآیند، ایجاد یک نسخه‌ی معکوس‌شده‌ی زمانی از موج اولیه بود؛ پدیده‌ای که پیش‌تر تنها در معادلات دیده شده و تاکنون در آزمایشگاه با چنین وضوحی مشاهده نشده بود.

پیش از این، تلاش‌های مشابه به دلیل دشواری در ایجاد تغییر یکنواخت در کل دستگاه با شکست مواجه شده بود. اما در این پژوهش، پژوهشگران توانستند بر این چالش فائق آیند و مسیر انرژی موج را در زمان به عقب بازگردانند.

اهمیت این کشف چیست؟

این دستاورد، گامی بزرگ در زمینه‌ی کنترل موج‌ها به شمار می‌رود. پدیده‌ی بازتاب زمانی از این پس دیگر تنها یک مفهوم فرضی نیست، بلکه می‌توان آن را با سخت‌افزار تخصصی ایجاد و اندازه‌گیری کرد. برخی کارشناسان این پدیده را زمینه‌ساز تحولاتی در انتقال داده‌ها و رایانش می‌دانند.

موجی که می‌تواند جهت زمانی خود را معکوس کند و فرکانس جدیدی به دست آورد، این پتانسیل را دارد که ارتباطات در طیف‌های مختلف فرکانسی را متحول کند و طراحی سیستم‌های تصویربرداری و حسگر‌ها را به سطحی نوین برساند.

علاوه بر آن، این نتایج راه را برای بررسی «مرز‌های زمانی» در دستگاه‌های فوتونیکی باز می‌کند. در آینده ممکن است بتوان چندین رابط زمانی را به‌صورت پی‌درپی طراحی کرد تا «حفره‌هایی در زمان» ایجاد شود؛ ساختار‌هایی که سیگنال‌ها در آنها رفت‌وبرگشت کرده و الگو‌های تداخلی شگفت‌انگیزی تولید کنند.

همچنین برخی از فیزیک‌دانان معتقدند این یافته‌ها می‌تواند نگاه تازه‌ای به نظریه‌های قدیمی در مورد برگشت‌پذیری فرایند‌های زمانی ارائه دهد و به درک بهتر از جریان انرژی در مواد پیچیده کمک کند.

گام‌های بعدی در مسیر توسعه آینه‌های زمانی

فیزیک‌دانان در سراسر جهان اکنون مشتاقانه به دنبال گسترش آزمایش‌ها در این حوزه هستند. آنها تلاش خواهند کرد که فرکانس‌های بالاتری را هدف قرار دهند یا این تکنیک را برای موج‌های دیگر همچون موج‌های صوتی یا حتی موج‌های اسپینی به‌کار گیرند.

نسل‌های آینده‌ی ساختار‌های قابل تنظیم ممکن است امکان کنترل بازه‌ی گسترده‌تری از فرکانس‌ها را فراهم کنند. همچنین، برخی آزمایشگاه‌ها در حال بررسی روش‌هایی برای بهینه‌سازی فرآیند سوئیچینگ هستند تا این تغییرات ناگهانی در محیط، یکنواخت‌تر و دقیق‌تر رخ دهند.

از جمله پرسش‌های مهم آینده، استفاده از پدیده‌ی وارونگی زمانی برای مهار تداخل موج‌ها به شیوه‌ای خلاقانه است. ترکیب چند رابط زمانی با توالی خاص ممکن است به امضای موجی منتهی شود که الگو‌هایی کاملاً جدید و بی‌سابقه نسبت به بازتاب‌های کلاسیک به نمایش بگذارد.

برخی دیگر نیز احتمال می‌دهند این تکنیک‌ها در آینده بتوانند در طراحی حافظه‌ها یا سیستم‌های منطقی نوآورانه کاربرد داشته باشند. اگر موجی بتواند مسیر خود را به عقب بازگرداند، شاید بتوان از آن در توسعه عناصر ذخیره‌سازی داده استفاده کرد؛ هرچند با بررسی هایی که برنا انجام داده است به نظر می‌رسد که عملیاتی‌کردن آن همچنان چالش‌برانگیز خواهد بود.

منبع: برنا