Μια σειρά από συναρπαστικές μελέτες δημοσίευσε πρόσφατα στις ΗΠΑ η καθηγήτρια Νικόλ Γιάνγκερ Χάλπερν [Nicole Younger Halpern] του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ σχετικά με τους «χρονοβρόχους», υποστηρίζοντας ότι τα σωματίδια θα μπορούσαν να μεταδίδουν πληροφορίες και προς τα πίσω στο χρόνο, σε αντίθεση με τη συμβατική γνώση ότι ο άξονας του χρόνου κινείται μόνο προς τα εμπρός.
Η Γιάνγκερ Χάλπερν ειδικεύεται σε έναν κλάδο της φυσικής που ονομάζεται κβαντική θερμοδυναμική, ο οποίος μελετά τις αρχές και τους νόμους που διέπουν τις διαδικασίες σε πολύ μικρά φυσικά συστήματα όπου κυριαρχούν οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής. Τα πειράματα που έκανε βασίστηκαν σε μια ιδέα που ανέπτυξε ο στενός φίλος του Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο διάσημος μαθηματικός και λογικός Κουρτ Γκέντελ [Kurt Gödel], ο οποίος είπε ότι έχουμε συνηθίσει να κινούμαστε πάντα προς τα εμπρός κατά μήκος του άξονα του χρόνου, αλλά αν κάνουμε μια κατάλληλη παραμόρφωση του χώρου και του χρόνου, μπορεί να σχηματιστεί ένα κυκλικό μονοπάτι ή «βρόχος», και αν περπατήσουμε κατά μήκος του μπορούμε τελικά να επιστρέψουμε στο ίδιο σημείο από το οποίο ξεκινήσαμε. Τα κυκλικά μονοπάτια που περιέγραψε τα ονόμασε «κλειστούς χρονικούς βρόχους».
«Η επιστημονική κοινότητα δεν γνωρίζει ακόμη αν υπάρχουν στην πραγματικότητα βρόχοι σαν αυτούς που πρότεινε ο Κουρτ Γκέντελ. «Αυτό που γνωρίζουμε είναι ότι μπορούμε να δημιουργήσουμε προσομοιώσεις τους [στα εργαστήρια]», εξηγεί η Γιάνγκερ Χάλπερν.
Όταν ο Γκέντελ μιλούσε για χρονικούς βρόχους, εννοούσε σχετικά μεγάλους βρόχους που θα επέτρεπαν στους ανθρώπους να μετακινηθούν μέσα τους για να επιστρέψουν σε ένα προηγούμενο χρονικό σημείο. Αυτό για το οποίο μιλά η καθηγήτρια Γιάνγκερ Χάλπερν είναι κάτι που λειτουργεί σε πολύ μικρότερη κλίμακα – κάτι που δεν θα «μεταφέρει» ανθρώπους πίσω, αλλά θα μεταδίδει μηνύματα με τη μορφή κβαντικών σημάτων.
Φανταστείτε ότι, χρησιμοποιώντας έναν χρονοβρόχο, θα μπορούσατε να λάβετε ένα κβαντικό μήνυμα από το μέλλον σχετικά με ένα εμπόδιο που βρίσκεται μπροστά σας. Αυτό θα σας επιτρέψει να παρακάμψετε το εμπόδιο, αποφεύγοντας την πτώση και τον επακόλουθο πόνο. Ένα τέτοιο κβαντικό μήνυμα από το μέλλον θα μπορούσε να σας προειδοποιήσει για μια επικείμενη καταστροφή που πρόκειται να συμβεί σε μια συγκεκριμένη ημερομηνία ή να ειδοποιήσει ένα σύστημα για μια δυσλειτουργία που πρόκειται να συμβεί πριν συμβεί.
Για πολύ καιρό, οι φυσικοί χλεύαζαν τη δυνατότητα δημιουργίας τέτοιων χρονικών βρόχων, κυρίως επειδή έρχεται σε αντίθεση με τον τρόπο που λειτουργεί ο χρόνος στον συνηθισμένο κόσμο μας. Ωστόσο, τις τελευταίες τρεις δεκαετίες, διαφορετικοί φυσικοί έχουν προτείνει διάφορες λύσεις. Ένας από τους πιο διάσημους ήταν ο Σεθ Λόυντ [Seth Lloyd], φυσικός του MIT, ο οποίος δημοσίευσε τις ιδέες του για τους κβαντικούς χρονοβρόχους το 2011.
Λέγεται ότι μετά τη δημοσίευση, ο Λόυντ κυριολεκτικά πλημμύρισε από αιτήματα ανθρώπων που ισχυρίστηκαν ότι ήθελαν να ταξιδέψουν στον χρόνο και ζητούσαν τη βοήθειά του. Ο Λόιντ τούς απαντούσε με χιούμορ ότι αν μπορούσε να γυρίσει τον χρόνο πίσω, ίσως να μην δημοσίευε αυτές τις ιδέες καθόλου, προκειμένου να αποφύγει την ταλαιπωρία. Ο Λόιντ δεν γύρισε τον χρόνο πίσω, αλλά αυτός και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι η δημιουργία των κβαντικών χρονοβρόχων είναι δυνατή, παρουσίιάζοντας ακόμη και εξισώσεις που δείχνουν με ποιον τρόπο, τουλάχιστον θεωρητικά, μια τέτοια σύνδεση με το παρελθόν θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί στο μέλλον.
Από τότε που ο καθηγητής Λόιντ παρουσίασε την ιδέα του το 2011, άλλες ερευνητικές ομάδες συνέχισαν να την αναπτύσσουν και να την τελειοποιούν, αλλά ακόμα παραμένει απλώς μια θεωρία. Την πρόκληση ανέλαβε και ένας από τους συνεργάτες της καθηγήτριας Γιάνγκερ Χάλπερν, ο Δρ Ντέηβιντ Άρβιντσσον Σούκουρ [David Arvidsson Shukur] από το Πανεπιστήμιο του Cambridge στο Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος εργάζεται στη θεωρία μετρήσεων.
«Ο Άρβιντσσον Σούκουρ πρότεινε να συνεργαστούμε και να εξερευνήσουμε τις δυνατότητες των χρονικών βρόχων, καθώς και οι δύο είχαμε εντυπωσιαστεί από την εργασία του Λόυντ και των συνεργατών του», λέει η καθηγήτρια Γιάνγκερ Χάλπερν. «Έτσι, αρχίσαμε να εργαζόμαστε για να καταλάβουμε πώς θα μπορούσε να δημιουργηθεί ένα τέτοιο σύστημα.»
Σε πρώτη φάση, το 2023, δημοσίευσαν μια θεωρητική εργασία που ήταν ένα είδος πειράματος σκέψης. Η εργασία παρουσίαζε ένα σενάριο στο οποίο η «τηλεμεταφορά στο παρελθόν», ένας όρος που χρησιμοποίησε ο Λόυντ στην εργασία του το 2011, θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση ενός προβλήματος που αντιμετωπίζουν οι ερευνητές της κβαντικής μέτρησης.
Για να εξηγήσουν την ιδέα τους, έκαναν μια αναλογία με τον καθημερινό μας κόσμο.
«Φανταστείτε ότι θέλετε να στείλετε σε κάποιον ένα δώρο. Για να το αποκτήσει την τρίτη μέρα, πρέπει να το στείλετε την πρώτη μέρα, αλλά θα μάθετε τι θέλει ο παραλήπτης μόνο τη δεύτερη μέρα. Τώρα φανταστείτε ότι μπορείτε να αντικαταστήσετε το δώρο που στείλατε την πρώτη μέρα χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες που λάβατε τη δεύτερη μέρα. Η προσομοίωσή μας χρησιμοποιεί χειρισμό της κβαντικής εμπλοκής για να δείξει πώς οι προηγούμενες ενέργειες μπορούν να αλλάξουν αναδρομικά για να διασφαλιστεί το επιθυμητό αποτέλεσμα».
Η καθηγήτρια Γιάνγκερ Χάλπερν και ο Δρ Άρβιντσσον Σούκουρ είναι θεωρητικοί, και έτσι για να πραγματοποιήσουν το πείραμά τους συνεργάστηκαν με τον καθηγητή Κηθ Μαρτς [Keith March] του Πανεπιστήμιου της Ουάσιγκτον στο Σεντ Λούις, το εργαστήριο του οποίου διεξάγει πολλά πειράματα στον τομέα των κβαντικών μετρήσεων. Όποιος επισκεφτεί το εργαστήριό του θα δει κάτι που μοιάζει με μικρό ντουλάπι με διάφορα καλώδια συνδεδεμένα σε αυτό. Μέσα στο ερμάριο υπάρχουν τσιπ που περιέχουν κυκλώματα υπεραγωγών, λέει η καθηγήτρια Γιάνγκερ Χάλπερν. Ένα παρόμοιο πείραμα βρίσκεται σε εξέλιξη αυτή τη στιγμή στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο, όπου ο εξοπλισμός περιλαμβάνει λέιζερ.
«Δείξαμε σε αυτό το πείραμα ότι εάν έχετε δύο σωματίδια μεταξύ των οποίων υπάρχει κάποιο είδος εμπλοκής και κάνετε έναν συγκεκριμένο χειρισμό αυτής της εμπλοκής, τότε μπορείτε να επιτύχετε ένα αποτέλεσμα που μαθηματικά αντιστοιχεί ακριβώς στην κατάσταση όπου το σωματίδιο αποστέλλεται πίσω στο χρόνο. Δεν ισχυριζόμαστε ότι ξέρουμε πώς να στείλουμε ένα σωματίδιο πίσω στο χρόνο, αλλά μπορούμε να μοντελοποιήσουμε αυτή τη διαδικασία σε μαθηματικό επίπεδο, δηλαδή να μοντελοποιήσουμε έναν βρόχο χρόνου.»
Κβαντική εμπλοκή
Το κλειδί για τη δημιουργία χρονοβρόχων είναι το φαινόμενο της κβαντικής εμπλοκής, το οποίο συζητήθηκε από την καθηγήτρια Γιάνγκερ Χάλπερν. Η κβαντική εμπλοκή περιγράφει μια κατάσταση στην οποία δύο σωματίδια είναι τόσο στενά συνδεδεμένα που η κατάσταση του ενός εξαρτάται πλήρως από την κατάσταση του άλλου. Δηλαδή, είναι αδύνατο να περιγραφεί η κατάσταση του ενός σωματιδίου χωρίς να ληφθεί υπόψη η κατάσταση του άλλου και οποιαδήποτε πρόσκρουση στο ένα από αυτά επηρεάζει αμέσως το άλλο, ακόμα κι αν απέχουν έτη φωτός μεταξύ τους. Ο Αϊνστάιν, τη δεκαετία του 1930, περιέγραψε αυτές τις μακρινές και στιγμιαίες επιδράσεις ως «απόκοσμη δράση από απόσταση».
Βασισμένη στην κβαντική εμπλοκή, μια αποτελεσματική τεχνολογία μεταφοράς πληροφοριών που ονομάζεται «κβαντική τηλεμεταφορά» έχει αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια. Παρά το συναρπαστικό όνομα, δεν μιλάμε για τηλεμεταφορά όπως τη γνωρίζουμε από την επιστημονική φαντασία και έργα όπως η τηλεοπτική σειρά Star Trek, όπου οι άνθρωποι μετακινούνται αμέσως από το ένα μέρος στο άλλο. Στην κβαντική τηλεμεταφορά μεταδίδονται μόνο πληροφορίες.
Για να κατανοήσουμε αυτήν την τεχνολογία, μπορούμε να φανταστούμε ότι θέλουμε να μεταδώσουμε πληροφορίες, που εκφράζονται ως ρεύμα ηλεκτρονίων, από ένα διαμέρισμα στη γη σε έναν δορυφόρο στο διάστημα. Πώς το κάνουμε αυτό; Στο πρώτο βήμα, θα συνδυάσουμε (μπλέξουμε) δύο μικρά σωματίδια, για παράδειγμα φωτόνια, και θα τοποθετήσουμε το ένα κάπου στη Γη και το άλλο σε έναν δορυφόρο στο διάστημα. Δεδομένου ότι μια αλλαγή στην κατάσταση του ενός φωτονίου επιφέρει αμέσως μια αλλαγή στην κατάσταση του άλλου φωτονίου, το φωτόνιο στη Γη θα επηρεάσει το φωτόνιο στον δορυφόρο. Μετά από αυτό, σε μια ακατέργαστη αφαίρεση, φέρνουμε τη ροή ηλεκτρονίων (τις πληροφορίες μας) πιο κοντά στο φωτόνιο της Γης, έτσι ώστε να αλληλεπιδρά με τη ροή ηλεκτρονίων και να επηρεάζεται από αυτήν.
Αυτό είναι όλο. Αποδεικνύεται ότι αυτό το φαινόμενο μεταδίδεται αμέσως στο φωτόνιο που βρίσκεται στον δορυφόρο στο διάστημα. Με αυτόν τον τρόπο, στην πραγματικότητα «μεταφέρουμε» πληροφορίες από τη ροή ηλεκτρονίων στη Γη σε έναν δορυφόρο στο διάστημα και εκτελούμε «κβαντική τηλεμεταφορά». Αυτή είναι μια τεχνολογία που υπάρχει ήδη και είναι αποδεκτή – ένα παρόμοιο πείραμα τηλεμεταφοράς μεταξύ δύο φωτονίων, το ένα στη Γη και το άλλο σε έναν δορυφόρο στο διάστημα, επιδείχθηκε από Κινέζους επιστήμονες το 2017.
Ωστόσο, το ερώτημα που μένει να εξηγηθεί είναι πώς σχετίζονται όλα αυτά με τις επιπτώσεις στο παρελθόν; Για να γίνει κατανοητό αυτό, η καθηγήτρια Γιάνγκερ Χάλπερν προτείνει να φανταστούμε δύο ‘μπλεγμένα’ σωματίδια, το ένα από τα οποία (ας το ονομάσουμε Τ1) διαχωρίζεται από το άλλο και στέλνεται για να συμμετάσχει σε κάποιο πείραμα, δηλαδή να εκτελέσει μια συγκεκριμένη ενέργεια, το αποτέλεσμα της οποίας θα μετρηθεί. Επιστρέφοντας στο παράδειγμα με το δώρο, αυτό το στάδιο του πειράματος αντιστοιχεί στην ημέρα «Δευτέρα» όταν στέλνουμε σε κάποιον ένα δώρο που υποτίθεται ότι θα φτάσει αργότερα, την ημέρα «Τετάρτη» (όταν θα μετρηθεί το αποτέλεσμα).
Στα μισά της διαδικασίας, οι ερευνητές λαμβάνουν νέες πληροφορίες που μπορούν να επηρεάσουν και να αλλάξουν τα τελικά αποτελέσματα των μετρήσεων, δηλαδή τα αποτελέσματα του πειράματος. Στην αναλογία δώρου, είναι «Τρίτη» όταν συνειδητοποιούμε ότι το άτομο που λαμβάνει το δώρο θέλει πράγματι κάτι άλλο την «Τετάρτη» όταν φτάνει το δώρο (στο τέλος του πειράματος). Το πρόβλημα είναι ότι το δώρο στάλθηκε «Δευτέρα» και δεν μπορούμε να αλλάξουμε ούτε αυτό ούτε το τελικό αποτέλεσμα. Αληθεύει αυτό; Όχι.
Οι ερευνητές πηγαίνουν σε ένα άλλο σωματίδιο (ας το ονομάσουμε Τ2) που είναι μπλεγμένο με το σωματίδιο Τ1 που συμμετέχει στο πείραμα και το χειρίζονται. Δεδομένου ότι τα σωματίδια είναι μπλεγμένα, οποιαδήποτε αλλαγή στο σωματίδιο Τ2 θα επηρεάσει την κατάσταση του σωματιδίου Τ1. Με αυτόν τον τρόπο μπορούν να αντικαταστήσουν το «δώρο» που έστειλαν τη «Δευτέρα» με τις πληροφορίες που έλαβαν την «Τρίτη» και να αλλάξουν το αποτέλεσμα του πειράματος, δηλαδή το δώρο που θα λάβουν την «Τετάρτη», αν και το πείραμα έχει ήδη ξεκινήσει.
Με άλλα λόγια, οι ερευνητές μπόρεσαν να «γυρίσουν τον χρόνο πίσω», για να αλλάξουν το αποτέλεσμα στο μέλλον.
«Σε επίπεδο αποτελέσματος, χρησιμοποιείται τηλεμεταφορά μιας κβαντικής κατάστασης από το μέλλον στο παρελθόν. «Στην πραγματικότητα, αυτό είναι αρκετά παρόμοιο με το τρέχον πρωτόκολλο για την κβαντική τηλεμεταφορά πληροφοριών», λέει η καθηγήτρια Γιάνγκερ Χάλπερν.
Σε βίντεο από το γραφείο Τύπου του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον, όπου η ομάδα εξηγεί το πείραμα, μοντελοποιούν τα δύο μπλεγμένα σωματίδια ως ένα μεμονωμένο σωματίδιο του οποίου ο άξονας χρόνου είναι παραμορφωμένος: μόλις οι ερευνητές χειριστούν το σωματίδιο Τ2, αυτό αρχίζει να κινείται προς τα πίσω στο χρόνο σε ένα σημείο πριν από το πείραμα, όπου μπλέκεται με το σωματίδιο Τ1. Σε αυτό το στάδιο, το Τ1 αλλάζει και αρχίζει να κινείται ως συνήθως, από το παρελθόν στο μέλλον. Με αυτόν τον τρόπο, εξηγούν, επιτυγχάνεται μαθηματικά ένας χρονικός βρόχος κατά μήκος του οποίου κινείται το ολοκληρωμένο σωματίδιο.
Μετακίνηση στο ‘παρελθόν’
Ένα σωματίδιο που κινείται προς τα πίσω στο χρόνο είναι μια δύσκολη ιδέα να κατανοηθεί. Ωστόσο, αποδεικνύεται ότι υπάρχουν δύο φυσικές έννοιες που μπορούν να το εξηγήσουν: η πρώτη ονομάζεται «σύμπαν μπλοκ» και προκύπτει από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν.
Στην καθημερινή ζωή, είμαστε συνηθισμένοι στο γεγονός ότι ο χωροχρόνος μας καθορίζεται από τρεις χωρικές διαστάσεις: μήκος, πλάτος και ύψος. Σε κάθε μία από αυτές τις διαστάσεις είμαστε ελεύθεροι να κινηθούμε προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Για παράδειγμα, όταν περπατάμε στο δρόμο, μπορούμε να κινηθούμε μπροστά, πίσω, δεξιά ή αριστερά. Όταν ανεβαίνουμε σκάλες, ανεβαίνουμε ή κατεβαίνουμε. Εκτός από τις τρεις χωρικές διαστάσεις, υπάρχει και μια χρονική διάσταση. Αυτή είναι μια ιδιαίτερη διάσταση γιατί τη βιώνουμε πάντα ως ροή από το παρελθόν στο μέλλον, όντας πάντα στην παρούσα στιγμή, στο «τώρα».
Η προσέγγιση του «συμπαντικού μπλοκ» υποδηλώνει ότι αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως ροή του χρόνου από το παρελθόν στο παρόν και στο μέλλον είναι στην πραγματικότητα μια ψευδαίσθηση. Στην πραγματικότητα, κάθε στιγμή της ζωής μας – παρελθόν, παρόν και μέλλον – υπάρχει ταυτόχρονα στον χωροχρόνο. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως ένα βιβλίο στο οποίο υπάρχουν πάντα όλες οι σελίδες (και κάθε στιγμή της ιστορίας), ακόμα κι αν διαβάζουμε μόνο μία σελίδα τη φορά. Ο λόγος που βιώνουμε τον χρόνο ως ακολουθία είναι επειδή ο εγκέφαλός μας συνδέει αυτές τις στιγμές γραμμικά, και έτσι βλέπουμε το χρόνο ως ροή από το παρελθόν στο μέλλον, παρόλο που όλες αυτές οι στιγμές υπάρχουν ήδη εκεί στον χωροχρόνο την ίδια στιγμή. Η γέννησή μας είναι κάπου στον χρόνο, και ο θάνατός μας επίσης.
Σε αυτό προστίθεται μια δεύτερη έννοια που ονομάζεται «χρονική συμμετρία». Σύμφωνα με αυτή την ιδέα, στο πιο βασικό επίπεδο της φυσικής, ο χρόνος δεν έχει συγκεκριμένη κατεύθυνση. Δηλαδή, οι νόμοι της φυσικής δρουν το ίδιο και προς τα εμπρός στον χρόνο και προς τα πίσω στον χρόνο. Φανταστείτε ότι έχετε μια εγγραφή βίντεο μιας μπάλας που κυλάει στο πάτωμα και σταματά. Αν παίξετε το βίντεο προς τα πίσω, θα δείτε τη μπάλα να ξεκινάει από το σημείο στάσης και να κυλά προς τα πίσω μέχρι να σταματήσει ξανά. Η ιδέα της χρονικής συμμετρίας είναι ότι οι περισσότεροι φυσικοί νόμοι δεν κάνουν διάκριση μεταξύ της κίνησης προς τα εμπρός στο χρόνο και της κίνησης προς τα πίσω στο χρόνο. Οι φυσικές διεργασίες μπορούν να συμβούν εξίσου και προς τις δύο κατευθύνσεις.
Ο Αϊνστάιν παρουσίασε αυτές τις ιδέες το 1955, σε μια συλλυπητήρια επιστολή προς την οικογένεια του στενού του φίλου, Μικέλε Μπέσο, λίγο λιγότερο από ένα μήνα πριν από το θάνατό του:
«Έφυγε από αυτόν τον παράξενο κόσμο λίγο νωρίτερα από μένα. Δεν σημαίνει τίποτα. Για εμάς, τους πιστούς φυσικούς, η διαφορά μεταξύ παρελθόντος, παρόντος και μέλλοντος είναι μόνο μια ψευδαίσθηση στην οποία προσκολλούμαστε πεισματικά.»
Τέλος, νέα έρευνα της καθηγήτριας Γιάνγκερ Χάλπερν και του Δρος Άρβιντσσον Σούκουρ ανοίγει τον δρόμο σε μια νέα κατανόηση του χρόνου-χώρου μέσα από τις συναρπαστικές έννοιες των «χρονικών βρόχων» και της κβαντικής τηλεμεταφοράς. Αλλά εγείρουν επίσης βαθιά φιλοσοφικά και φυσικά ερωτήματα, όπως: Θα μπορούμε να χρησιμοποιούμε τέτοιες τεχνολογίες στο μέλλον για να αποτρέψουμε καταστροφές ή να βελτιώσουμε τη ζωή μας;
Σε αυτό το σημείο είναι σαφές ότι τα αποτελέσματα βρίσκονται ακόμη σε θεωρητικό στάδιο και χρειάζεται περαιτέρω έρευνα. Είτε έτσι είτε αλλιώς, δεν υπάρχει αμφιβολία ότι πρόκειται για ένα συναρπαστικό πεδίο, και εάν συμβεί μια επιστημονική ανακάλυψη στο μέλλον, θα επηρεάσει κάθε τομέα της ζωής μας, αλλάζοντας την αντίληψή μας για την πραγματικότητα γύρω μας.
