آیا گرانش می‌تواند مانع سفر در زمان شود؟ نظریه جدید فیزیک‌دانان یک چالش جدی دارد

سفر به گذشته یکی از جذاب‌ترین ایده‌ها در داستان‌های علمی‌تخیلی است؛ اما از دیدگاه فیزیک، این موضوع پرسش‌های پیچیده‌ای درباره رابطه علت و معلول ایجاد می‌کند. اکنون دو فیزیک‌دان با استفاده از چارچوب متفاوتی برای توصیف گرانش، مدلی ریاضی ارائه کرده‌اند که می‌تواند از شکل‌گیری حلقه‌های زمانی و بازگشت به گذشته جلوگیری کند؛ هرچند این مدل هنوز با یک مشکل اساسی روبه‌رو است: ناپایداری در ساختار فضا-زمان.

این پژوهش نشان نمی‌دهد که سفر در زمان واقعاً امکان‌پذیر است یا اینکه گرانش در جهان واقعی قطعاً جلوی آن را می‌گیرد. اهمیت کار در این است که سازوکاری نظری برای محافظت از ترتیب زمانی رویدادها پیشنهاد می‌کند.

چرا سفر به گذشته در فیزیک مسئله‌ساز است؟

یکی از مشهورترین مشکلات سفر به گذشته، پارادوکس پدربزرگ است. تصور کنید فردی به گذشته برگردد و پیش از تولد یکی از اجدادش مانع ادامه نسل او شود. در این صورت، مسافر زمان هرگز متولد نمی‌شد تا بتواند به گذشته سفر کند. چنین وضعیتی تناقضی در زنجیره علت و معلول به وجود می‌آورد.

در فیزیک نسبیت عام اینشتین، ساختار فضا-زمان می‌تواند در برخی راه‌حل‌های ریاضی به شکلی خمیده باشد که مسیرهایی موسوم به منحنی‌های زمان‌وار بسته ایجاد شوند. این مسیرها از نظر ریاضی امکان بازگشت به نقطه‌ای در گذشته را مطرح می‌کنند؛ اما وجود چنین راه‌حل‌هایی در معادلات به معنای امکان ساخت ماشین زمان در جهان واقعی نیست.

استیون هاوکینگ در سال ۱۹۹۲ فرضیه‌ای با عنوان «حدس محافظت از گاه‌شماری» مطرح کرد. بر اساس این ایده، قوانین فیزیک به شکلی عمل می‌کنند که مانع شکل‌گیری مسیرهایی شوند که امکان سفر به گذشته را فراهم می‌کنند. بااین‌حال، هنوز سازوکار قطعی و موردتأییدی برای چنین محافظتی پیدا نشده است.

مدل جدید گرانش چگونه از حلقه‌های زمانی جلوگیری می‌کند؟

موستا‌فا اسماعیل و دیوید متینگلی، دو فیزیک‌دان دانشگاه نیوهمپشایر، بررسی کرده‌اند که آیا می‌توان با تغییر چارچوب ریاضی توصیف گرانش، از شکل‌گیری حلقه‌های زمانی جلوگیری کرد یا نه.

آن‌ها به‌جای تکیه صرف بر نسبیت عام، از چارچوبی به نام گرانش متریک-آفین (Metric-Affine Gravity) استفاده کردند. در نسبیت عام، هندسه فضا-زمان و ساختار ریاضی توصیف‌کننده ارتباط میان جهت‌ها به شکلی مشخص به یکدیگر وابسته‌اند. اما در گرانش متریک-آفین، این دو ساختار آزادی بیشتری برای رفتار مستقل از یکدیگر دارند.

این تفاوت به پژوهشگران اجازه داد مدلی بسازند که در آن، جهت زمانی مشخصی برای فضا-زمان تعریف می‌شود. در شرایط مورد بررسی، مسیرهای مجاز حرکت در فضا-زمان همواره در جهت رو به جلو باقی می‌مانند و نمی‌توانند به گذشته خود بازگردند.

پژوهشگران نام این مدل را Metric-Affine Gravity Imposing Chronology گذاشته‌اند که به اختصار MAGIC نامیده می‌شود.

مشکل اصلی مدل MAGIC چیست؟

با وجود جذابیت این ایده، مدل MAGIC هنوز نمی‌تواند توصیف پایداری از جهان ارائه دهد. دلیل این مسئله به نوع تازه‌ای از نوسان گرانشی مربوط می‌شود که در این چارچوب ظاهر می‌شود.

در نسبیت عام، امواج گرانشی دو حالت مستقل برای نوسان دارند؛ این نوسان‌ها را می‌توان به کشیده و فشرده شدن فضا در دو جهت تشبیه کرد. اما در مدل MAGIC، یک حالت سوم با عنوان مد اسکالر (Scalar Mode) نیز وارد معادلات می‌شود.

مشکل اینجاست که مد اسکالر در شرایط کیهانی بررسی‌شده، دچار پدیده‌ای به نام «ناپایداری گرادیانی» است. به زبان ساده، به‌جای آنکه اختلال‌های کوچک در این میدان مانند موجی پایدار منتشر شوند، می‌توانند به‌سرعت بزرگ‌تر شوند. طبق محاسبات پژوهشگران، اختلال‌هایی با طول موج کوتاه‌تر حتی سریع‌تر رشد می‌کنند.

چنین رفتاری می‌تواند ساختار فضا-زمان را از حالت پایدار خارج کند. بنابراین، هرچند مدل MAGIC از نظر ریاضی راهی برای جلوگیری از حلقه‌های زمانی پیشنهاد می‌دهد، در شکل فعلی نمی‌تواند به‌عنوان نظریه‌ای کامل و پایدار برای توصیف جهان پذیرفته شود.

آیا این مدل واقعاً سفر به گذشته را غیرممکن می‌کند؟

پاسخ فعلاً منفی است؛ دست‌کم نمی‌توان چنین نتیجه قطعی‌ای گرفت. پژوهش جدید چند محدودیت مهم دارد:

• محافظت محلی: مدل فقط در شرایط محلی مشخصی از شکل‌گیری حلقه‌های زمانی جلوگیری می‌کند. برای تضمین این موضوع در سراسر جهان، باید فرضی درباره ساختار کلی فضا-زمان در نظر گرفته شود که هنوز از خود مدل به‌طور کامل نتیجه نشده است.

• احتمال مشکلات هندسی: این چارچوب برای جلوگیری از برخی فروپاشی‌های ریاضی در توصیف فضا-زمان طراحی شده، اما پژوهشگران هنوز نشان نداده‌اند که این سازوکار در تمام شرایط ممکن عمل می‌کند.

• ناپایداری مد اسکالر: مهم‌ترین مانع، همان رشد سریع اختلال‌هاست. تا زمانی که این مشکل حل نشود، مدل نمی‌تواند توصیفی قابل‌اتکا از جهان ارائه دهد.

در نتیجه، پژوهشگران هنوز ثابت نکرده‌اند که طبیعت واقعاً از این سازوکار برای جلوگیری از سفر به گذشته استفاده می‌کند. آن‌ها تنها نشان داده‌اند که می‌توان چنین امکانی را در یک چارچوب نظری از گرانش بررسی کرد.

قدم بعدی پژوهشگران چیست؟

اسماعیل و متینگلی معتقدند گام بعدی، یافتن راهی برای پایدار کردن مد اسکالر بدون از بین بردن ویژگی‌هایی است که امکان محافظت از ترتیب زمانی را فراهم می‌کنند. اگر این مشکل حل شود، می‌توان مدل را در شرایط کیهانی واقع‌بینانه‌تری بررسی کرد.

مقاله علمی این پژوهش با عنوان «Metric-affine gravity with dynamical chronology protection» در مجله Physical Review D منتشر شده است. پژوهشگران در این مرحله یک مدل نظری ارائه کرده‌اند، نه یک سازوکار اثبات‌شده در طبیعت.

جمع‌بندی؛ آیا گرانش نگهبان زمان است؟

ایده اصلی این پژوهش آن است که شاید بتوان از خود ساختار گرانش برای جلوگیری از بازگشت به گذشته استفاده کرد. مدل MAGIC نشان می‌دهد چنین راهکاری از نظر ریاضی قابل بررسی است، اما ناپایداری‌های آن فعلاً مانع تبدیل شدنش به یک نظریه کامل شده‌اند.

بنابراین هنوز نمی‌توان گفت گرانش قطعاً مانع سفر در زمان می‌شود. بااین‌حال، این پژوهش مسیر تازه‌ای برای بررسی یکی از پرسش‌های قدیمی فیزیک باز می‌کند: آیا قوانین بنیادی جهان اجازه می‌دهند گذشته را تغییر دهیم یا خود طبیعت راهی برای جلوگیری از چنین اتفاقی دارد؟

منابع: