در سال ۲۰۱۶ جایزه نوبل فیزیک به سه فیزیکدان بریتانیایی به خاطر فعالیت بر روی ابررساناها و ابرشاره‌ها (سوپر فلوئیدها) اهدا شد. مطالعه این سه نفر منجر به شناخت یک فاز و حالت جدیدی از ماده شده بود. اکنون کشف آنها یک دستاورد عملی دارد؛ با استفاده از این حالت، می‌توان اندازه قطعه الکتریکی را بسیار کوچک کرد که این امر می‌تواند در ساخت یک کامپیوتر کوانتومی بسیار مفید باشد.

گروهی از دانشمندان دانشگاه سیدنی با همکاری مایکروسافت و دانشگاه استنفورد ایالات‌متحده آمریکا با استفاده از این حالت ماده که به نام عایق توپولوژیکی (topological insulator) شناخته می‌شود، توانستند یک قطعه الکتریکی به نام سرکیولیتور (Circulator) را به اندازه هزار بار کوچک‌تر کنند. این امر بدان معناست که تعداد بیشتری کیو بیت (کیو بیت مشابه با بیت در کامپیوتر کلاسیک، همان کوچک‌ترین واحد ذخیره اطلاعات در کامپیوتر کوانتومی است. کیو بیت یک سیستم کوانتومی دوحالتی است، مانند جهت قطبش یک فوتون که می‌تواند (به‌طور مثال) افقی یا عمودی در نظر گرفته شود.) می‌تواند در یک فضای کم جای گیرد.

کشفی که در سال ۲۰۱۶ این تیم سه‌نفره بریتانیای کرده بودند، این بود که تحت یک شرایط خاص، بعضی از مواد به‌راحتی می‌توانند الکترون را از سطح خود عبور دهند و درعین‌حال یک عایق الکتریکی نیز باشند! این دستاورد آنها همان‌گونه که بالاتر اشاره شد، منجر به دریافت جایزه نوبل گردید.

البته یک کشف بسیار مهم دیگر این بود که این مواد می‌توانند بدون شکستن تقارن ساختاری، بین حالت‌های ماده گذار داشته باشند. به‌عنوان یک مثال از شکست تقارن ساختار ماده، آب را در نظر بگیرید که در هنگام تبدیل به یخ یا بخار، تقارن ساختار اتمی‌اش شکسته می‌شود.

هنگامی‌که یک قطعه الکتریکی عملا در ابعاد و اندازه‌های اتمی ساخته شود، نحوه حرکت الکترون‌ها در ابعاد مختلف به طرز شگفت‌انگیزی مهم خواهد بود. در داخل یک کیو بیت، محاسبات توسط رفتار احتمالاتی ذرات کوانتومی انجام می‌شود که یک کامپیوتر کلاسیک هرگز قادر به انجام آن نیست. ساختن کیو بیت‌ها روش‌های بسیار متفاوتی دارد و اگر آنها را در کنار هم به‌صورت یک زنجیره قرار دهیم، بسیار کاربرد بهتری خواهند داشت. اما همواره کوچک کردن کیو بیت به‌اندازه‌ای که بتوان صدها عدد از آن را در داخل یک فضای کوچک قرار داد، کاری بسیار دشوار بوده است.

دیوید ریلی (David Reilly)، فیزیکدان دانشگاه سیدنی و رئیس بخش Q (کوانتومی) مایکروسافت می‌گوید:

حتی اگر اکنون میلیون‌ها کیو بیت داشته باشیم، همچنان مشخص نیست که تکنولوژی کلاسیک لازم برای کنترل آنها را نیز در اختیار داریم یا خیر.

تحقق ساخت یک کامپیوتر کوانتومی مدرن، نیازمند ابداعات در قطعات جدید میان رابط تکنولوژی‌های کلاسیکی با کوانتومی خواهد بود.

یکی از این قطعات سرکیولیتور است. سرکیولیتور مشابه یک میدان برای سیگنال‌های الکتریکی است که تنها اطلاعات را در یک راستا انتقال می‌دهد. تاکنون بهترین اندازه ساخته‌شده این سخت‌افزار در حدود ابعاد کف دست انسان است.

تحقیقات کنونی این دانشمندان باعث ساخت یک ویفر مغناطیده از یک ماده عایق توپولوژیکی خاص شده که می‌تواند به‌عنوان یک سرکیولیتور عمل کند و البته به‌ اندازه هزار بار کوچک‌تر شود.

آلیس ماهونی (Alice Mahoney)، سرگروه این تیم تحقیقاتی دراین‌باره می‌گوید:

چنین سرکیولیتورهای کوچک، صرف‌نظر از کامپیوتر کوانتومی فعلی که در آن استفاده شده، می‌توانند در تعداد گوناگونی از پلتفرم‌های سخت‌افزاری کوانتومی پیاده‌سازی شوند.

بیشتر فعالیت‌های کنونی درزمینه کامپیوترهای کوانتومی مربوط به ساخت لوله پیش از ایجاد خلأ و نوار مغناطیسی می‌شوند که البته تحولات بسیار مفیدی در این زمینه‌ها نیز صورت گرفته است. اما اگر پیشرفت‌های چشمگیر دیگری مانند تولید همین قطعات کوچک را داشته باشیم، قطعا فاصله زیادی تا ساخت و ارایه یک کامپیوتر کوانتومی به صورتی که بهترین سوپر کامپیوترهای کنونی نیز در حد و اندازه‌های آن نباشند، نخواهیم داشت.

قطعا کامپیوترهای کوانتومی یکی از بزرگ‌ترین تحولات دنیای تکنولوژی در قرن ۲۱ خواهند بود.

نوشته گام بلند فیزیکدانان در جهت ساخت کامپیوتر کوانتومی اولین بار در وب‌سایت فناوری پدیدار شد.

سفر در زمان یکی از مفاهیمی است که تنها در رمان‌های تخیلی، فیلم‌ها و گفتگوهایی با محوریت اما و اگرهای زندگی، آن را می‌شنویم. اما امکان‌پذیر بودن آن از چندین دهه قبل برای بسیاری از پژوهشگران ثابت شده است.

گویا آی تی – در سال جاری میلادی، گروهی از دانشمندان کوئیزلند استرالیا، نحوه‌ی رفتار احتمالی فوتون‌های سفر در زمان را شبیه‌سازی کردند. آنها متوجه شدند در سطح کوانتومی، پارادوکس پدربزرگ، پدیده‌ای که سفر در زمان را غیرممکن می‌کند، قابل حل است.

پژوهش این دانشمندان با نام ”شبیه‌سازی آزمایش منحنی‌های زمان‌گونه‌ی بسته“ در جدیدترین شماره‌ی ژورنال Nature Communications چاپ شده است. پژوهشگران در طی تحقیقات خود از فوتون‌ها یا ذرات مستقل نور برای بازگردانی ذرات کوانتومی مسافر زمان، استفاده کردند. دانشمندان در طی پروسه‌ی تجزیه و تحلیل رفتار ذرات، متوجه پدیده‌ی عجیبی شدند.
پروفسور تیموتی رالف از دست‌اندرکاران و مولفان پژوهش توضیح می‌دهد: ”عدم انسجام و پیوستگی از ویژگی‌های ذرات کوانتومی است و این امر فضای کافی برای جنبش و تکان خوردن به‌منظور اجتناب از وضعیت‌های سفر زمان ناپایدار را برای آنها فراهم می‌کند. پژوهش ما موجب شکل‌گیری بینش‌های جدیدی در این باره که طبیعت کجا و چگونه ممکن است رفتاری متفاوت با آن چه که در نظریه‌های ما پیش‌بینی شده در پیش گیرد، خواهد شد.

به‌منظور شبیه‌سازی، دانشمندان نحوه‌ی چگونگی رفتار فوتونی که در زمان سفر کرده و با نسخه اصلی خود ارتباط برقرار می‌کند را مورد بررسی قرار دادند.
دیلی‌میل این طور گزارش می‌دهد:
پژوهشگران در آزمایش خود مدلی را به کار گرفتند که قبلا استفاده شده بود؛ در این مدل فوتون در فضایی با سرعت عادی سفر خود را شروع کرده و با فوتون دیگری که توسط یک کرم‌چاله در یک حلقه‌‌ی‌ سفر زمانی گیر افتاده و از آن با نام ”منحنی‌ زمان‌گونه‌ی بسته” یا CTC یاد می‌شود، تعامل می‌کند.
دانشمندان با شبیه‌سازی رفتار فوتون دوم امکان بررسی رفتار فوتون اول را پیدا کردند و نتایج نشان داد که اگر فوتون دوم در زمان مناسب آماده شود، امکان تکامل تدریجی و پیوسته آن وجود خواهد داشت.

پارادوکس پدربزرگ این طور می‌گوید که یک مسافر زمان که قرار است به گذشته سفر کند، شاید به اشتباه مانع از ملاقات پدربزرگ و مادربزرگش شده (برای مثال تصادفا یکی از این دو را به قتل برساند)، و در نتیجه ا متولد شدن خود، جلوگیری نماید. پس اگر او هرگز متولد نشود، چگونه ‌توانسته در زمان سفر کند؟!
نظریه‌‌های نسبیت عام و خاص آلبرت انیشتین فیزیکدانان را به این سمت هدایت کرده که سفر در زمان را امکان‌پذیر تصور کنند. نظریه‌ی نسبیت خاص این طور می‌گوید که فضا و زمان جنبه‌هایی از پدیده‌ای مشترک به نام ”دستگاه چهار بُعدی“ هستند. نظریه‌ی مذکور این طور می‌گوید که زمان، بسته به سرعت حرکت شما می‌تواند سریع‌تر یا کندتر بگذرد، و البته ممکن است چیزهای دیگری هم روی سریع‌تر و کندتر شدن سرعت آن تاثیر گذار باشند. نظریه‌ی نسبیت عام ادعا می‌کند سفر به گذشته وابسته به مسیر زمان فضایی است، درست همانند یک CTC که به نقطه‌ی شروع‌اش در فضا برگردد، اما این کار را پیش از موعد مقرر انجام دهد.
با توجه به این که ذرات کوانتومی تقریبا خارج از محدوده‌ی فیزیک عمل می‌کنند، در سال ۱۹۹۱ پیش‌بینی می‌شد مکانیک کوانتوم قادر به عبور از بعضی پارادوکس‌های نظریه‌ی نسبیت انیشتین شود.

مارتین رینگ‌باوئر، سرپرست اصلی پروژه و دانشجوی دوره‌ی دکترا بخش ریاضیات و فیزیک دانشگاه کوئیزلند در این رابطه می‌گوید: ”مساله‌ی سفر در زمان وجود رابطه‌ میان دو تئوری بسیار موفق اما ناسازگار فیزیک یعنی نظریه‌ی نسبیت عام انیشتین و نظریه‌ی مکانیک‌های کوانتومی را به خوبی نشان می‌دهد. نظریه‌ی انیشتین، جهان را مشتمل از تعداد نامحدودی ستاره و کهکشان می‌داند در حالی که مکانیک کوانتوم توصیفی بسیار عالی از جهانی متشکل از اتم‌ها و مولکول‌های بسیار کوچک است.“
در سال ۲۰۱۲ جایزه نوبل فیزیک به طور مشترک به دو فیزیکدان برجسته به نام‌های دیوید واین‌لند و سرگی هاروشه رسید. این دو موفق شدند چگونگی تاثیر ”شگفتی‌های کوانتوم“ را نه تنها در سطح دنیای میکرو نشان دهند بلکه ثابت کردند اثرات آن را در سطح ماکرو (مقیاسی فوق‌العاده وسیع‌تر) هم می‌توان دید.

هر چند همه دانشمندان و پژوهشگران روی مساله‌ی امکان‌پذیر سفر در زمان اتفاق‌ نظر ندارند. برای مثال استفان هاوکینگ در یکی از مستندهای پخش شده در شبکه‌ی بی‌بی‌سی به صراحت می‌گوید که چنین چیزی امکان‌پذیر نیست. اما صرفنظر از وجود مشکلات فیزیکی و پارادوکس‌ها، چنین پیشرفت‌هایی در نظریه‌های کوانتومی، دریچه‌ها را به سوی درک بهتر راه‌های بالقوه برای غلبه بر پارادوکس‌های سفر در زمان باز خواهند کرد.
به دنیای فیزیک کوانتومی خوش آمدید، دنیایی که نیلز بور، فیزیکدان برجسته‌ی دانمارکی در مورد آن چنین می‌گوید: “اگر مکانیک کوانتومی شما را شگفت‌زده نکرده پس مشخص است آن را درک نکرده‌اید.“

ریچارد فاینمن، از برجسته‌ترین فیزیکدانان قرن بیستم و برنده جایزه‌ی نوبل، مکانیک کوانتوم را این طور توصیف می‌کند: ”ما تصمیم گرفتیم پدیده‌ای را بررسی کنیم که توضیح آن با استفاده از روش‌های مرسوم غیر ممکن است، بهتر بگویم کاملا غیرممکن است، و البته مرکز مکانیک کوانتومی درون این پدیده قرار دارد. در دنیای واقعی، تنها راز موجود را در خود جای داده است.“

در این مطلب قصد داریم به برخی سوالات کاربردی درباره جهان هستی بپردازیم. سوالاتی که قطعا برای هرکدام از ما پیش آمده است. سوالاتی چون فراتر از کیهان چه چیزی وجود دارد؟ جهان ما در حال تبدیل شدن به چه چیزی است؟ آیا جهان هستی تا ابد منبسط خواهد شد؟آیا مرزی برای دانش انسان وجود دارد؟ آیا محدودیت‌های اساسی در مسیر علم قرار دارد؟

اگر شما نیز مشتاق به فهم پاسخ این سوالات هستید بهتر است تا انتهای این مقاله با گویا آی تی همراه باشید.

در پاسخ به تمامی این سوالات باید گفت ما هنوز هیچ پاسخی برای این سوالات نداریم و نمی توانیم به طور قطعی بگوییم که آیا حد و مرزی برای دانش ما وجود دارد یا خیر. اما می توان گفت به نظر نمی رسد مرزی برای دانسته های ما وجود ندارد. هرچند فراز و نشیب های بیشماری در مسیر یادگیری ما قرار گرفته اند اما هنوز به قطعیت نمی توان نظری در این باره داد. البته هستند افرادی که معتقدند ما هیچ وقت به علم پیدایش جهان دست نخواهیم یافت و هیچ زمان نخواهیم فهمید که پیش از انفجار بزرگ چه اتفاقی رخ داده است. اما به نظر می رسد این تفکرات کمی خودخواهانه باشد زیرا هیچ کس مرز دانش انسان را نمی داند و همانطور که یافته های امروز ما از نجوم در ۵۰ سال پیش غیر ممکن به نظر می رسید ما نیز نمی توانیم به قطعیت بگوییم که تا چه میزان فرا خواهیم گرفت.

البته این صحبت به آن معنا نخواهد بود که ما در طبیعت محدودیتی نداریم زیرا ما در مشاهده و مطالعه ی طبیعت محدودیت هایی داریم به عنوان مثال  اصل عدم قطعیت هایزنبرگ بیان می کند که نمی‌ توان تمام مشخصات حرکتی یک ذره را در هر لحظه از زمان دانست. همچنین بیشترین فاصله ‌ای که در یک بازه ‌ی زمانی قادر به دیدن و حرکت در آن هستیم توسط سرعت نور محدود شده است. اما این محدودیت‌ها صرفا به نشان دهنده این است که چه چیزی را نمی‌ توانیم مشاهده کنیم، نه اینکه چه چیزی را نمی ‌توانیم یاد بگیریم. علیرغم وجود اصل عدم قطعیت، ما توانسته ‌ایم مکانیک کوانتوم را توسعه دهیم و یا در زمینه بررسی رفتار اتم‌ ها پیش رفت هایی چشمگیر داشته باشیم. ما امروزه توانسته‌ ایم ذرات به اصطلاح مجازی را کشف کنیم. ذراتی که نمی ‌توانیم به طور مستقیم ببینیم، با این حال به وسیله شواهد و قوانین فیزیکی وجود آنها را پیش ‌بینی می ‌کنیم.

این موضوع که جهان در حال انبساط است به عنوان یک نقطه شروع در علم ما جای می گیرد و اگر با ما تکیه بر دانسته ها و اکتشافات جدید خود و همچنین استنتاج حوادث پیرامون مان پیش برویم خواهیم توانست به نقطه ای بسیار دور در تاریخ گذشته هستی برسیم. به زمانی که تمام عالم هستی در نقطه ای قابل رویت جمع شده بود.

در یک لحظه، که اکنون آن را  لحظه‌ ی انفجار بزرگ (Big Bang)  می نامیم ، قوانین فیزیکی فعلی شناخته شده از هم فرو‌پاشید، چون بین نسبیت عام و مکانیک کوانتوم ناسازگاری به وجود آمد. نسبیت عام به توصیف گرانش می ‌پردازد و مکانیک کوانتوم نیز فیزیک ذرات میکروسکوپی است. اما خیلی از دانشمندان این ناسازگاری را یک محدودیت جدی برای علم نمی ‌دانند، چون ما انتظار داریم که اصل نسبیت عام بعد از تصحیح، به بخشی از تئوری کوانتوم پیوسته تبدیل شود. نظریه‌ ی ریسمان نمونه ‌ای از این تلاش ‌ها است.

با تصور چنین نظریه ‌ای، شاید قادر باشیم به این سوال پاسخ دهیم که قبل از انفجار بزرگ چه اتفاقی رخ داده است. البته این موضوع نیز قابل تامل است که شاید پیش از انفجار بزرگ اصلا هیچ چیزی وجود نداشته باشد. ساده ‌ترین پاسخ مطرح شده در مورد انفجار بزرگ، کمترین میزان مقبولیت را در بین دانشمندان داشته است. پاسخ به این شکل است که در لحظه‌ ی انفجار بزرگ نسبیت عام با نسبیت خاص به هم پیوستند تا یک حقیقت واحد را تشکیل دهند: فضازمان. اگر فضا توسط انفجار بزرگ به وجود آمده باشد، شاید زمان هم به همین ترتیب به وجود آمده باشد. در آن صورت، هیچ “’گذشته‌ای” وجود نداشته است و سوال مطرح شده بی مورد خواهد بود. بنابراین و با توجه به این موضوع باید منتظر یک جواب منطبق بر کوانتوم گرانشی باشیم و پس از اثبات آن فرضیه به شکل آزمایشگاهی خواهیم توانست خواهیم توانست پاسخی جدید و قابل اتکا ارائه دهیم.

درادامه با یک سوال دیگر مواجه هستیم و آن این است که مرزهای کیهان ما درکجا قرار دارد؟ گستردگی جهان ما تا کجا ادامه دارد؟ در واقع باید گفت پاسخ این سوالات نیز هنوز برای بشر مبهم است و برای پاسخ به آن تنها به حدس و گمان هایی ساده اکتفا نموده ایم که آن را با شما درمیان می گذاریم.

همانطور که گفتیم فضا و زمان به صورت خود به خودی و به یکباره در اثر انفجار بزرگ پدید آمده اند پس می توان گفت که انرژی کلی آن ها برابر صفر است. بر اساس اصول پایه ای فیزیک می توان گفت که انرژی موجود در غالب یک جرم با انرژی میدان گرانشی آن برابر است. به زبان ساده تر باید بگوییم مجموع مقادیر چیزی که از هیچ پدید آمده است باید همان هیچ باشد. با توجه به علم فعلی ما تنها جهانی قادر به دارا بودن چینی ویژگی هایی است که شکل هندسی آن گرد باشد. به عنوان مثال وقتی بر روی یک کره حرکت می کنیم با هیچ مرزی مواجه نخواهیم شد اما می دانیم که محدودیت هایی برای آن وجود دارد. همین شرایط می ‌تواند در جهان هم صادق باشد. اگر ما به انداز‌ه‌ ی کافی در یک جهت به دوردست نگاه کنیم، می‌ توانیم قسمت پشت سر خود را ببینیم.

اما در عمل ما قادر به انجام چنین کاری نیستیم  و دلیل آن احتمالا می تواند این موضوع باشد که جهان قابل رویت ما خود بخشی از جهان بزرگتریست که ما توانایی دیدن آن را نداریم. علت این امر باید با آنچه که انبساط جهان (inflation) نامیده می ‌شود در ارتباط باشد. بیشتر جهان‌هایی که خود به خود از انداز‌ه‌ی میکروسکوپی به وجود می ‌آیند، به جای آن که برای میلیاردها سال عمر کنند، در یک زمان میکروسکوپیک از هم فرو می ‌پاشند. اما در بعضی موارد،  انرژی دادن به فضای خالی باعث می ‌شود که جهان در یک بازه‌ ی زمانی کوتاه به صورت تصاعدی متورم شود. بر این اساس تصور ما این است که در لحظات اولیه ی پس از انفجار بزرگ یک بازه زمانی پدید آمده است که در آن جهان انبساط می یابد و به این طریق جهان بلافاصله پس از تولد فرو نپاشیده است.

بنابراین می توانیم بگوییم که ممکن است زمانی انبساط در بخشی از جهان که ما در آن حضور داریم متوقف شود اما به این معنا نیست که تمام جهان از انبساط  خارج شده است.