اگر بدانید که قرار است فردا بعد از ظهر استخوان بازوی شما بشکند، آیا امکان دارد که همین امروز صبح آن را وبال گردن‌تان ببینید؟ البته که نه؛ این سؤال بی‌معنی است. علت همیشه نسبت به معمول متقدم است. اما شاید زندگی یک فوتون این قدرها هم سر راست نباشد. در قلمروی زیراتم، که فیزیک کوانتوم هر غیرممکنی را می‌تواند به چیزی روتین بدل کند، چیزهایی که به ظاهر بی‌معنی می‌نمایند، شاید حقیقت داشته باشند؛ حتی یک ماشین زمان!
این ایده را که آینده می‌تواند حال را متأثر کند، و حال هم روی گذشته اثر می‌گذارد، با نام علیت معکوس (retrocausality) می‌شناسیم. این ایده همیشه مطرح بود، اما بدون داشتن هیچ گونه شواهد قابل اعتنا؛ چون ما در زندگی روزمره هیچ وقت ندیده‌ایم که اثر یک چیز، زودتر از علتش اتفاق بیافتد. با این حال، اکنون در فیزیک کوانتوم، بازنگری جدیدی در این تنش، باعث شده دوباره فکر کنیم.
هیچ فردی سفر در زمان را چیزی بیشتر از یک فانتزی نمی‌داند. اما اگر نظریه‌پردازان با علیت معکوس به آینده بازگشته و آن را ثابت کنند، اشارات آن بسیار مهیج خواهد بود. آن‌ها نه‌تنها تصادفی را که ذات کوانتوم است توجیه خواهند کرد، بلکه طوری از نو تار و پودش را پی‌ریزی می‌کنند که با ایده‌های فضا-زمان اینیشتین قابل ترکیب باشد؛ دستاوردی که فیزیک‌دان‌ها دهه‌هاست از آن طفره می‌روند.
اگر علیت معکوس پذیرفته شود، داشتن نظریه‌ای از واقعیت که با بسیاری از چیزهایی که فکر می‌کنیم باید درست باشند، مطابق‌تر است.
–متیو لیفر در دانشگاه چاپمن در اورگن–
مقاله‌ی مرتبط: ایدۀ فیزیک کوانتومی که انیشتین همواره از آن نفرت داشت، به اثبات رسید!
برای نائل شدن به این برَند ویژه از پیچش در زمان، باید برگردیم به دهه‌ی ۱۹۳۰، زمانی که فیزیک عجیب و غریب مکانیک کوانتوم خرد متعارف ما را که حاصل قرن‌ها اندیشه بود، تهدید می‌کرد. به نظر می‌آمد با برداشت از این نظریه، ذرات زیراتمی در ابر مبهمی از احتمالات قرار دارند؛ تا این که اندازه‌گیری شده و پا به دنیای قطعیت می‌گذارند. ولی اینیشتین کسی نبود که پایبند این نظریه باشد: “خدا تاس نمی‌ریزد”.
با وجود بیزاری او از تصادف، این ویژگی متفاوتی از جهان کوانتوم بود که اینیشتین سخت می‌توانست باور کند.
این ایده که در زمان حال می‌توان بر روی گذشته تأثیر گذاشت، در نگاه اول چرند به نظر می‌رسد.
در یک آزمایش فکری، او اشاره کرد که اگر توصیف “احتمالی” دنیای کوانتوم حالت حقیقی اشیا باشد، پس اندازه‌گیری یک ذره‌ی زیراتمی می‌تواند به صورت پایدار روی حالت دیگری (بدون در نظر گرفتن فاصله‌ی بین آن‌ها) تأثیر بگذارد. پدیده‌ای عجیب که نام درهم‌تنیدگی را به آن دادند.
تصور کنید که دو ذره به هم برخورد کرده و در جهات مخالف برمی‌گردند. تحت قوانین کوانتوم این ذره‌ها اکنون “درهم‌تنیده‌اند”. سرعت آن‌ها ناشناخته است. ولی اگر سرعت یکی از آن‌ها سنجیده شود، با این که راهی برای دانستن این از قبل وجود نداشت، ولی بلافاصله سرعت دیگری هم به‌دست خواهد آمد. بنابراین این جا باید انتخاب کنیم: یا ذرات می‌توانند هنگام اندازه‌گیری به طور دائم روی همدیگر اثر گذارند، یا هم در کل سرعت‌هایی قطعی دارند؛ با این که فیزیک کوانتوم نمی‌تواند آن سرعت را تعیین کند.
اینیشتین روی دومی شرط بسته بود. ارتباطات دائمی بین ذرات دور از هم، بر اساس نظریه‌ی نسبیت خاص غیرممکن بود؛ چون یک محدودیت سرعت سخت‌گیرانه برای سیگنال بین دو چیز از ملاحظات آن است: سرعت نور. در واقع او پافشاری می‌کرد که همه‌ی نظریات باید زیر بار این محدودیت در سیگنال‌های پایدار بروند؛ قانونی به نام locality. به همین علت او درهم‌تنیدگی لعنتی! را “کنش شبح‌وار از راه دور” خواند و گفت با ظهور نظریه‌ای بنیادی‌تر، این سراب از بین خواهد رفت.
ولی درهم‌تنیدگی هیچ گاه از ذهن‌ها پاک نشد. به جای آن، حضورش را در آزمایشگاه می‌شد احساس کرد. در دهه‌ی ۱۹۶۰، فیزیک‌دان ایرلند شمالی، جان بِل، راهی خلاقانه برای تست کنش شبح‌وار پیدا کرد و در هر تست، این شبح شکوهمندانه خود را ثابت نمود. چه آن را دوست داشته باشیم، چه نه، کنش شبح‌وار از راه دور وجود دارد.
علیت معکوس می‌تواند ما را از non-locality نجات دهد. مشکل این است که در نگاه اول چرند به نظر می‌آید. این نظر، با مشاهدات زندگی روزمره که در آن زمان رو به جلو می‌شتابد و معمول همیشه پس از علت اتفاق می‌افتد، مغایرت دارد. ولی هضم علیت معکوس دشوارتر از درهم‌تنیدگی نیست. و شاید دو تا از بزرگ‌ترین معماهای فیزیک را حل کند.
قطعاً، خود جان بل فکر می‌کرد که کارش تنشی عمیق با نسبیت خاص دارد.
–هیو پرایس فیلسوف فیزیک از دانشگاه کمبریج–
مقاله‌ی مرتبط: فیل در خانه‌ی تاریک
مطلوب علیت معکوس برطرف کردن این تنش است. با اعاده‌ی نوعی موضع داشتن (locality)، علیت معکوس به ما شانس بازسازی مکانیک کوانتوم را در جهتی می‌دهد که با نظریه‌ی نسبیت عام اینیشتین سازگار باشد. این نظریه نشان می‌دهد که چگونه گرانش نتیجه‌ی خمیده شدن فضا-زمان با ماده یا انرژی است.
بیشتر افراد سعی کرده‌اند گرانش را از نو به زبان کوانتوم مطرح کنند، اما شاید راه دیگری ممکن باشد. شاید کاری که ما باید انجام دهیم، از نو مطرح کردن نظریه‌ی کوانتوم در فضا و زمان است. به نظر می‌آید علیت معکوس یکی از راه‌های این کار باشد.
این مفهوم در قلمروی فیزیک کوانتوم که شاید حال روی گذشته اثرگذار باشد، برمی‌گردد به دهه‌ی ۱۹۴۰، زمانی که یک فیزیک‌دان جوان به نام Olivier Costa de Beauregard راهی را برای توضیح یک جفت ذره‌ی در هم تنیده، بدون متوسل شده به non-locality معرفی کرد. او پیشنهاد کرد که شاید اندازه‌گیری یک ذره باعث می‌شود سیگنالی در زمان به عقب سفر کرده و به زمان جفت بودن آن‌ها برود. این سیگنال پس از آن دوباره رو به جلو حرکت کرده و مطمئن می‌شود که سرعت ذره‌ی دوم مطابق با اندازه‌گیری اولی است.
اگر یک چنین سیگنالی رو به عقب حرکت کند، می‌توان locality را بدون نیاز به تعیین سرعت ذره‌ها در زمان جفت‌شدگی، حفظ کرد. این طوری دیگر نه ارتباطی دائمی وجود دارد و نه به نسبیت خدشه‌ای وارد می‌شود.
در آن زمان، کسی نشان نداده بود که non-locality واقعیت دارد. فقط بعد از انتشار کارهای جان بل بود که پیشنهاد دِبیرگارد جدی گرفته شود. ولی حتی پس آن، با وجود همه‌ی تفسیرهای هوشمندانه برای توضیح نتایج مبهم آزمایشهای بِل، علیت معکوس آن گونه که باید، نگرفت.
زمان گذشت تا سال ۲۰۱۰؛ پرایس قصد احیای این ایده را داشت. در مرکز کارهای او قانونی به نام تقارن وارونی زمان دیده می‌شود. از لحاظ ریاضی، این قانون بیان می‌دارد، قوانین پایه‌ای فیزیک همان گونه که برای پیش رفتن زمان کار می‌کنند، برای عقب رفتن آن هم به کار می‌روند. البته که این حرف با مشاهدات روزانه‌ی ما نمی‌خواند: شما نمی‌توانید یک شیشه یا تخم‌مرغ شکسته را در زمان، به حالت اولش برگردانید (فیزیک‌دان‌ها تردید دارند که چیزی برای قانون دوم ترمودینامیک هم در چنته داشته باشند. قانونی که می‌گوید آنتروپی یا مقداری بی‌نظمی، وقتی شمار زیادی از ذرات درگیر باشند، با گذشت زمان افزایش می‌یابد). ولی واقعیت این است که فیزیک پایه‌ای تقریباً به طور کل نسبت به جهت زمان بی‌تفاوت است. تقریباً همه‌ی فیزیک‌دان‌ها موافقند که قوانین پایه‌ای فیزیک از وارونی-زمان تبعیت می‌کنند و از رها کردن آن هم بیزارند.
با در نظر داشتن این در ذهن، پرایس اشاره می‌کند که اگر قوانین پایه‌ای فیزیکی از تقارن وارونی-زمان تبعیت کنند، که به نظر می‌آید چنین است، پس علیت معکوس اجتناب‌ناپذیر است. با این حال، گسستی هم در این ادعا وجود دارد. پرایس فرض نموده که توصیف کوانتومی یک ذره (حالت کوانتومی) با چیزی واقعی در دنیا ارتباط دارد که مغایر ماهیت ابزار ریاضی آن به منظور بررسی نادیده گرفته شدن آن ذره از دید ماست. برای خیلی‌ها، همین دلیل کافی است تا پرایس را نادیده بگیرند؛ چون وضعیت حالت کوانتومی قابل بحث است.
با این همه، اجتناب از علیت معکوس رفته رفته سخت‌تر می‌شود. در سال ۲۰۱۷، لِیفر و متیو پوسی در دانشگاه آکسفورد، راهی برای برطرف نمودن گسست ادعای پرایس پیدا کردند. آن‌ها با ادغام نظریات پرایس و بِل، برای نشان دادن این که علیت معکوس برای حفظ تقارن وارونی-زمان بدون در نظر گرفتن حالت کوانتومی ضروری است، آماده شدند. باز هم کار به یک انتخاب فریبنده رسید: تقارن وارونی-زمان را رها کن یا این ایده را که در دنیای کوانتوم آینده می‌تواند روی گذشته تأثیر بگذارد، بپذیر.
لیفر دومی را انتخاب کرده است. کلید حل مشکل شاید یک ویژگی نسبیت، به نام “جهان بُلوکی” باشد.
در مزدوج شدن فضا و زمان، نظریه‌ی بزرگ اینیشتین مفهوم “حال” را به شدت تضعیف می‌کند. چیزی که اکنون در زمان حال رخ می‌دهد، به طور ویژه‌ای بستگی به این دارد که شما کجا هستید و با چه سرعتی حرکت می‌کنید. پس ممکن است دو نفر از یک واقعه‌ای مشخص در فضا و زمان معلوم، دو مشاهده‌ی کاملاً متفاوت داشته باشند.
این چیزی است که “حال” را به یک توهم تبدیل می‌کند. زمان به واقع جلو نمی‌رود و درک ما از آن به خاطر دید محدودمان از جهان است. در واقعیت، گذشته، حال و آینده، یک بلوک واحد و موجود می‌سازند.
در یک جهان بلوکی، علیت معکوس کوانتوم آن قدرها هم عجیب نخواهد بود. اگر گذشته و آینده در کنار هم وجود داشته باشند، یعنی اگر اتفاقات گذشته قبل از فرارسیدن آینده محو نشوند، آینده به آسانی می‌تواند روی گذشته تأثیر بگذارد.
چیزی که فیزیک امروز نیاز دارد، نسخه‌ای جدید از نظریه‌ی کوانتوم است که با جهان بلوکی همکاری کرده و باعث شود علیت معکوس به صورت طبیعی اتفاق بیافتد. “این جا ایده آن است که شما نظریه‌ای از فیزیک کوانتوم را فرموله کنید که همه‌ی فضا-زمان‌ها را یک جا داشته باشد”. لیفر از ما می‌خواهد تا به علت و معمول کوانتومی مثل یک پازل نگاه کنیم. “وقتی می‌خواهید یک پازل درست کنید، این طور نیست که از ردیف بالا شروع کنید و به ترتیب تکه‌ها را بچینید. هر تکه محدودیت‌هایی را برای مجاورت‌های خود به وجود می‌آورد. فیزیک هم می‌تواند همین گونه باشد: هر منطقه‌ای از فضا-زمان می‌تواند محدودیت‌هایی را برای مناطق اطراف خود تعریف کند”.
مقاله‌ی مرتبط: نسبیت عام؛ تحریف فضا-زمان
با این حال، اگر جهان بلوکی وجود دارد و علیت معکوس را عملی می‌کند، پس چرا ما در زندگی خود آن را تجربه نمی‌کنیم؟ هر چه باشد همه‌ی ما از ذرات کوانتومی ساخته شده‌ایم. پاسخ در عدم قطعیت کوانتومی نهفته است. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ بیان می‌دارد که فهمیدن موقعیت و لحظه‌ی یک ذره به طور همزمان غیرممکن است. پس این ویژگی دنیای کوانتوم است که همیشه از چشم ما پنهان باشد و دقیقاً همین چیز است که به علیت معکوس اجازه‌ی وجود می‌دهد ولی به ما اجازه نمی‌دهد پیامی به گذشته بفرستیم. “اگر انتخاب من یک دقیقه‌ی دیگر پس از این لحظه، یکی از این چیزهایی را که من نمی‌دانم تعیین کند، پس من نمی‌توانم پیامی را به عقب به مقصد خودم بفرستم”.
وارتون در میان دانشمندانی است که ادعا می‌کنند با نگاهی دقیق‌تر، علیت معکوس دیوانه‌وارتر از درهم‌تنیدگی نیست. علاوه بر این، علیت معکوس مزایای زیادی برای فیزیک‌دان‌ها دارد؛ همین که می‌توان نظریه‌ی کوانتوم را طوری تغییر داد که با فضا-زمان همخوانی داشته باشد، کم نیست. با اعاده‌ی شکلی از لوکالیتی، شاید حتی علیت معکوس به توجیه مطلوب نمایش گرانش در مقیاس کوانتوم بیانجامد.
خدا سودوکو بازی می‌کند
بسیاری از راه‌ها بدون بررسی رها شده‌اند، چون به افراد آموزش داده شده تا در این تصویر نیوتونی از تکاملِ رو به جلو فکر کنند. علیت معکوس ممکن‌های زیادی فراهم خواهد کرد که می‌تواند ما را از این ورطه بیرون بکشد.
–امیلی آلدام در دانشگاه کمبریج–
همچنین شاید علیت معکوس به توجیه وجود تصادف در کوانتوم که هیچ وقت اینیشتین نتوانست با آن کنار بیاید، کمک کند. علیت معکوس راه‌حل بی‌دردسری را پیشنهاد می‌کند: تصادف در کوانتوم توهمی است که پدیدار می‌شود؛ چون ما فقط یک قسمت از تصویر را در آنِ واحد می‌بینیم.
علیت معکوس شاید حتی توجیه کند که تصادف در کوانتوم از کجا می‌آید.
در این مورد، اینیشتین راست می‌گفت: “خدا تاس نمی‌ریزد، خدا سودوکو بازی می‌کند”. اگر سودوکو بازی کنید و شروع کنید به پر کردن خانه‌ها از چپ به راست، به این می‌ماند که در حال مشاهده‌ی اتفاقات تصادفی هستید ولی اگر نگاهی به کل جدول بیاندازید، می‌توانید تمام قوانین بازی را ببینید.
مشابه همین، در نسخه‌ی علیت معکوس فیزیک کوانتوم، چیزی که این جا و اکنون رخ می‌دهد، می‌تواند اثراتی در گذشته‌های دور یک کهکشان پرت داشته باشد، اثراتی که فقط در یک تصویر “با نگاه کلی” در جهان بلوکی معنادار می‌شوند. چنین چیزی در فیزیک زیر پا گذاشتن کلی از قوانین به نظر می‌رسد ولی برای آلدام مشکل نیست. “این از سادگی ماست که فرض می‌کنیم قوانین طبیعت شکلی به خود می‌گیرند که برای ما سهل‌ترین باشد. برای من، قبول این تصویر علیت معکوس افراطی یا عجیب و غریب نیست”.
ولی همه هم اشتیاق آلدام را ندارند. درست است که تقارن وارونی-زمان ویژگی دلخواه تقریباً همه‌ی قوانین پایه‌ای فیزیک است، نسخه‌ای که لیفر و پوسی استفاده کرده‌اند، عادی نیست. به جای وارون کردن زمان خود قوانین فیزیک، آن‌ها این کار را روی اساس آزمایش فکرشان انجام و نشان دادند که نتایج یکسان می‌مانند. این تمایز فیزیک‌دانان شکاک را وادار به درنگ می‌کند.
علاوه بر این، علیت معکوس همه‌ی سؤالات پیش روی فیزیک کوانتوم را جواب نمی‌دهد؛ حداقل هنوز نه. داستان تازه شروع شده است. کار دشوار را باید محققانی انجام بدهند که قصد دارند یک نظریه‌ی نسبیت معکوس گسترش دهند که همه‌ی نتایج معمول نظریه‌ی استاندارد کوانتوم را با همه‌ی موفقیاتش تکرار نماید.
ولی اگر کار اخیر Sally Shrapnel و Fabio Costa در دانشگاه کوئینزلند استرالیا درست باشد، حتی یک نظریه‌ی کوانتوم علیت معکوس کامل همه‌ی مشکلاتی را که در دیگر تفاسیر کوانتومی وجود دارد، حل نمی‌کند. با این که علیت معکوس به راحتی نتایج آزمایشهای بِل را پوشش می‌دهد، مشکل دیگری به نام contextuality وجود دارد.
Contextuality می‌گوید که پیامد هر آزمایش کوانتومی بستگی دارد به چیزی که دیگر آزمایش‌ها در همان زمان هدایت می‌کنند. ایده‌ای عجیب که فیزیک‌دان‌ها ترجیح می‌دهند به آن فکر نکنند. ولی شراپنل و کوستا نشان داده‌اند که علیت معکوس نمی‌تواند به سادگی آن را از قلم بیاندازد.
با این که شراپنل با لیفر سر ارزش بررسی داشتن علیت معکوس توافق دارند ولی او صدای هشداری را می‌شنود. “تفسیر علیت معکوس آن گونه که شاید شما فکر کرده باشید بدون هزینه نیست. به همین سادگی نیست که تأثیرات عِلّی را در زمان عقب ببریم. به چیزی بیگانه‌تر از این حرف‌ها نیاز داریم و من فکر می‌کنم آن، چیز باحالی است”.
Adam Becker، نویسنده‌ی مقاله‌ی منبع، نویسنده‌ی کتاب واقعیت چیست؟ جستجوی ناتمام برای معنای فیزیک کوانتوم می‌باشد.
