از علم تا خیال

محبوبه عمیدی: بسیاری از ما به جلوه‌های علمی داستان‌های علمی - تخیلی خو گرفته‌ایم، البته برخی از این جلوه‌ها خیلی هم علمی به نظر نمی‌رسند. اما این گزارش احتمالا شما را شگفت‌زده خواهد کرد، چرا که نشان می‌دهد بسیاری از این نیروهای خیالی می‌توانند ریشه در علوم حقیقی داشته باشند.

تصویر آغازین این مطلب، دو ابزار علمی را نشان می‌دهد. سمت راست، دستگاهی است که در فیلم ماشین زمان استفاده شده و تصویر چپ، یکی از آشکارسازهای بزرگ شتاب‌دهنده ال.اچ.سی را در سرن نشان می‌دهد. به نظر شما کدام‌یک از این دو ابزار می‌تواند واقعا مانند یک ماشین زمان عمل کند؟

سفر در زمان
یکی از مشهورترین ایده‌های علمی‌تخیلی، ساخت ماشینی است که به شما اجازه رفتن به گذشته و احیانا تغییر در آن را بدهد، یا شما را به آینده دور یا نزدیک ببرد. مشهورترین داستان با محوریت این دستگاه، ماشین زمان، نوشته اچ.جی ولز است که در آن، قهرمان داستان به آینده دور سفر می‌کند و آنچه از زندگی بشر آینده می‌بیند، چندان مورد علاقه او نیست.

اما آیا چنین چیزی می‌تواند واقعیت داشته باشد؟ مطابق نظریه نسبیت آلبرت اینشتین، امکان سفر به گذشته یا آینده در فضای بی‌نهایت وجود خواهد داشت. بعضی از تعابیر در مکانیک کوانتومی، به ذرات اجازه می‌دهند در زمان جا‌به‌جا شده و به گذشته برگردند. حتی اخیرا دو فیزیک‌دان برجسته نیز با مطرح کردن ایده‌ای جالب ، دلیل شکست آزمایش‌های شتابدهنده عظیم هاردون، ال.اچ.سی را تمایل بنیادی‌ترین ذره عالم (بوزون هیگز، همان ذره بنیادی که آزمایشگاه سرن برای خلق آن تلاش می‌کند) به بازگشت به گذشته و توقف فرایندی عنوان کرده‌اند که در ابتدا موجب خلق آن شده است!

تاکنون دلایل منطقی و علمی مختلفی برای عدم وجود چنین ابزاری ارایه شده است. جا‌به‌جایی در زمان، فرایندی ضد و نقیض به نظر می‌آید. ساده‌ترینش این است که چه اتفاقی می‌افتد اگر شما به گذشته برگردید و پدربزرگ خودتان را پیش‌از ازدواج با مادربزرگتان از بین ببرید؟ با این حال فیزیک نظری این پدیده را رد نمی‌کند.

مطابق تئوری نسبیت، ذرات می‌توانند در طول «خم‌های زمان‌گونه بسته» جابه‌جا شوند، به عبارت دیگر در یک حلقه زمانی بسته از گذشته به حال و آینده سفر کنند و مجددا به همان گذشته برگردند. یک روش نظری برای توضیح این پدیده از کرم‌چاله استفاده می‌کند، که می‌تواند همانند تونلی، یک سیاهچاله را به وارون زمانی آن متصل کند. حالا اگر شما بتوانید سیاهچاله را با سرعتی نزدیک به سرعت نور بکشید، یک ماشین زمان خواهید داشت. البته پس از اتمام این مراحل باید نوع خاصی از ماده هم در اختیار داشته باشید که بتواند کرم‌چاله را برای شما باز نگه دارد. متأسفانه این ماده هنوز حتی در نظریات هم پیدا نشده است.

از سوی دیگر، مکانیک کوانتومی شما را با یک تقارن بنیادی طبیعت درگیر می‌کند. اگر شما بتوانید بارهای مثبت و منفی را با هم جابهجا کنید، جهان هم مانند یک آینه عمل خواهد کرد و و گذر زمان برعکس خواهد شد. این تنها راه ثابت ماندن قوانین فیزیک است. بنابراین یک ذره بوزون هیگز که می‌خواهد به گذشته برگردد، مانند یک پاد بوزون هیگز عمل خواهد کرد که رو به آینده می‌آید.

فکر می‌کنید چند سال دیگر طول می‌کشد تا یک ماشین زمان ساخته شود؟ با سرعت پیشرفت فناوری امروز، چیزی حدود پانزده‌هزار سال دیگر! یادتان باشد که تئوری نسبیت سفر در زمان را غیرممکن ندانسته است.

الکتریسته بی‌سیم
چه می‌شد ابزارهای الکتریکی را بی‌آنکه نیازی به سیم‌ها داشته باشید، به برق متصل کنید تا شارژ شوند. ابزارهای همراه، خودروهای الکتریکی، فضاپیماها، همیشه به منبع انرژی دسترسی داشته باشند و کسی دغدغه باتری‌های رو به اتمام را نداشته باشد؟

نخستین بار، آیزاک آسیموف بود که این ایده را در داستان کوتاه Reason در سال 1941/1320 مطرح کرد. این داستان درباره یک نیروگاه خورشیدی است که به وسیله روباتها اداره می‌شود و انرژی تولید شده را به زمین ارسال می‌کند.

واقعیت ماجرا این است که الکتریسته و نیروی مغناطیسی، میدان‌هایی در فضا هستند، که می‌‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند. اگر یک آهنربا را به حرکت درآوریم، میدان الکتریکی به وجود خواهد آمد و اگر یک میدان الکتریکی را جابه‌جا کنیم، یک آهنربا خواهم داشت. به عبارت دیگر ما با دو روی یک نیروی طبیعی به نام الکترومغناطیس سر و کار داریم. در عمل می‌توانیم جریان الکتریکی را از ابزاری به ابزار دیگر، طی فرایندی که القا نامیده می‌شود، انتقال دهیم. این همان روشی است که ژنراتورهای الکتریکی و موتورها برای انتقال نیرو از آن استفاده می‌کنند.

تابش الکترومغناطیسی یک موج است و می‌تواند از نقطه‌ای به نقطه دیگر جابهجا شود. بنابراین از لحاظ تئوری انتقال بی‌سیم انرژی الکتریکی باید بسیار ساده باشد. ادیسون هم در سال 1875/1254 به این موضوع فکر کرده بود.

ریزموجها طول موجی بسیار‌بلند دارند و به همین دلیل روشی عملی برای انتقال انرژی الکتریکی به‌شمار می‌آیند. یکی دیگر از راه‌های عملی انتقال الکتریسیته، تبدیل آن به نور با استفاده از لیزر است. پس از رسیدن امواج به انتهای مسیر، فرایند تبدیل نور به انرژی الکتریکی انجام خواهد شد.

اگر این کار چندان دشوار به‌نظر نمی‌رسد، چند سال دیگر باید صبر کرد تا ابزارهای الکتریکی را به صورت بی‌سیم شارژ کنیم؟ در سال 1975/1354 یک تیم آمریکایی نشان داد که امکان ارسال هزاران کیلووات انرژی الکتریکی با استفاده از ریزموجها وجود دارد. چند ماه پیش نیز، مجموعه‌ای از شرکت‌های ژاپنی طرحی 21 میلیارد دلاری را پیشنهاد کردند که در آن ساخت تأسیساتی در فضا برای تاباندن انرژی خورشیدی به زمین پیش‌بینی شده است. به گفته این کنسرسیوم، اجرای این طرح می‌تواند انرژی الکتریکی مورد نیاز 300 هزار خانه را در بازه‌ای 30 ساله تأمین کند.

علاوه بر این، امسال شرکت وایتراسیتی در تی.ای.دی (کنفرانس سالانه بهترین‌های فناوری، سرگرمی و طراحی دنیا) که در آکسفورد انگلستان برگزار شد، سیستم الکتریکی بی‌سیمی را معرفی کرد که می‌تواند تلفنهای همراه و تلویزیون‌ها را شارژ مجدد بکند. این محصول از کریسمس 2010 / زمستان امسال در بازارهای آنلاین موجود خواهد بود.

پادماده
این موضوع را اغلب مردم جهان می‌شناسند، حتی اگر از ماهیت فیزیکی آن اطلاع دقیقی نداشته باشند. پادماده، نوع ویژه‌ای از ماده است که در صورت برخورد با مواد معمولی اطرافمان، انرژی تولید می‌کند. مقدار این انرژی که با استفاده از رابطه بسیار مشهور E=mc2 پیش‌بینی می‌شود، به مراتب بیشتر از انرژی حاصل از انفجار یک بمب هیدروژنی است.

در مجموعه داستانی علمی-تخیلی پیشتازان فضا، از پادماده برای تأمین نیروی محرکه فضاپیما استفاده می‌شود که به فضاپیما، سرعتی بالاتر از سرعت نور می‌دهد. آخرین نمونه مشهور استفاده از پادماده نیز فیلم سینمایی فرشتگان و شیاطین است که با اقتباس از رمانی به همین نام نوشته دان براون ساخته شده است: گروهی مخالف سیاست‌های کلیسای کاتولیک با حمله به مرکز اتمی اروپا، سرن، مقداری پادماده را به سرقت می‌برند و قصد دارند دنیا را با استفاده از آن نابود کنند!

نخستین بار، پل دیراک بود که با ترکیب روابط مکانیک کوانتومی و نسبیت، وجود پاد‌ماده را در سال 1928/1307 اثبات کرد. او حتی موفق شد وجود پادماده الکترون را نیز پیش‌بینی کند، اما این کارل اندرسون بود که 4 سال بعد، این ذره را که درواقع، اولین پادماده شناخته شده بود، با نام پوزیترون به جهان معرفی کرد. در سال 1995/1374 نیز شتابدهنده بزرگ ذرات در سرن توانست اتم‌های ضدهیدروژن را خلق کند.

ممکن است به پادماده به چشم منبع عظیمی از انرژی تقریبا نامحدود نگاه کنید. در این صورت باید مقدار بسیار‌اندکی از این ماده درون یک محفظه مغناطیسی نگهداری شود و میدان مغناطیسی به اندازه‌ای قوی باشد که بتواند پاد‌ماده را در فضای این محفظه محدود کند و فقط به شکل کنترل‌شده، بسیار‌آرام و اندک، اجازه ترکیب با ماده را به آن بدهد.

تنها مشکل پیش‌رو این است که تعداد پادماده‌های موجود در عالم بسیار اندک است! به‌نظر می‌رسد که در مهبانگ، در برابر هر یک‌میلیارد و یک ذره ماده، یک میلیارد ضدماده تولید شده باشد. کسی دقیقا نمی‌داند چرا و چطور این تقارن شکسته است، اما تنها چیزی که مشخص است، رخ دادن آن در آغاز خلقت و وجود ماست.

با این حساب، چند سال دیگر طول می‌کشد تا از پادماده، انرژی تولید شود؟ پوزیترونها در حال حاضر هم استفاده می‌شوند. آنها از واپاشی برخی مواد پرتوزا به‌وجود می‌آیند و معمولی‌ترین استفاده از آنها در تصویربرداری توموگرافی گسیل پوزیترون، تی.ای.پی است. اما انتظاری بیشتر از آنها بعید به نظر می‌رسد. تولید چندین هزار اتم ضد هیدروژن ظرف 50 سال آینده با ارزشی معادل تولید ناخالص ملی یک کشور کوچک و یک یا دو اتم از عنصری سنگین‌تر، بسیار‌دور از ذهن است. تولید انبوه پادماده چندان نزدیک نخواهد بود.

انتقال از راه‌دور، تله‌پورت
این موضوع، آرزوی دیرینه بشر است که در کمترین زمان ممکن، از جایی به جای دیگر برود. چه بهتر که این اتفاق بدون عبور از فضای میان مبدا و مقصد اتفاق بیفتد.

در داستان علم-تخیلی پیشتازان فضا، کاپیتان هروقت می‌خواست به فضاپیما بازگردد، می‌گفت: «Beam me up, Scotty» (اسکاتی، مرا بتابان!) .

شاید این آرزوی دیرینه در دنیای کوانتومی واقعیت یافته باشد. دو ذره نور را بگیرید و آنها را گیر بیاندازید. حالا می‌توانید اطلاعات را به وسیله ترابری کوانتومی و بی‌هیچ وقفه‌ای ارسال کنید.

فوتونها، یا ذرات نور مشخصه‌ای بنیادی دارند که اسپین نامیده می‌شود. این اسپین می‌تواند رو به بالا، پایین یا مخلوطی از این دو باشد. آلیس یک فوتون دارد و می‌خواهد فوتون باب هم اسپین مشابهی داشته باشد. او نمی‌تواند فوتون خودش را برای باب بفرستد، چون پستخانه در اعتصاب است! هم‌چنین او نمی‌تواند اسپین فوتونش را اندازه بگیرد و به باب تلفن بزند، برای این‌که اندازه‌گیری اسپین می‌تواند نوع آن‌را تغییر دهد.

خوشبختانه آخرین‌بار که آلیس، باب را ملاقات کرده، به او یک فوتون از این جفت ذره درهم‌تنیده داده و دیگری را برای خودش نگه داشته است. آلیس به فوتونش اجازه می‌دهد با جفت دیگر ارتباط برقرار کند. این عمل باعث می‌شود اطلاعات در مورد اسپین بلافاصله به فوتون باب برسد. با این وجود باب نمی‌تواند اطلاعات ارسال‌شده را بخواند، تا زمانی‌که پیام به شکل دیگری نیز برای او مخابره شود. آلیس با یک تماس تلفنی کوتاه می‌تواند اطلاعات لازم را در اختیار باب بگذارد تا جفت دیگر فوتون هم در حالت مطلوب قرار گیرد.

این پدیده، درهم‌تنیدگی کوانتومی خوانده می‌شود و درک آن هنوز هم برای فیزیک‌دانان دشوار است! البته ترابری کوانتومی حالت اولیه فوتون را از بین می‌برد و به همین دلیل نمی‌تواند برای ارسال پیام‌ها سریع‌تر از نور عمل کند. این نوع دوربری نمی‌تواند ماده را جابه‌جا کند و تنها اطلاعات کوانتومی را انتقال خواهد داد.

درسال 1998/1377، گروه اپتیک کوانتومی در انستیتو فناوری کالیفرنیا، کالتک، از نور فشرده برای ارسال حالت یک فوتون در آزمایشگاه استفاده کرد. این عمل در حال حاضر با استفاده از اتم‌‌ها هم انجام می‌شود. علاوه بر این در سال 2004/1383 یک فیزیک‌دان اتریشی موفق شد اطلاعات مربوط به حالت یک فوتون را از میان رودخانه دانوب عبور دهد. بدین‌ترتیب، ما به دوربری اجسام نزدیک و نزدیک‌تر می‌شویم. فقط یادتان باشد، هنگام دوربری جسم‌تان از هم می‌پاشد و در مقصد دوباره سر هم خواهد شد!