برای دههها، بازتاب چیزی ساده و آشنا به نظر میرسید. نور به آینه میخورد و مسیرش عوض میشود، صدا به دیوار برخورد میکند و پژواک شکل میگیرد. اما فیزیکدانان بیش از ۵۰ سال است که از نوع دیگری از بازتاب صحبت میکنند؛ بازتابی که نه در فضا، بلکه در خود زمان رخ میدهد. حالا، برای نخستینبار، دانشمندان توانستهاند این ایده شگفتانگیز را بهطور تجربی تایید کنند.
پژوهشگران موفق شدهاند وجود «بازتاب زمان» را ثابت کنند؛ پدیدهای که مدتها فقط روی کاغذ و در معادلات نظری فیزیک کوانتوم وجود داشت. بازتاب زمان به این معناست که بخشی از یک موج الکترومغناطیسی میتواند در زمان برگردد، نه فقط در مسیر حرکتش در فضا.
این مفهوم شاید یادآور ماشینهای سفر در زمان در فیلمهای علمیتخیلی باشد، اما در واقعیت، بازتاب زمان چیزی کاملا متفاوت است. در این پدیده، کل محیطی که موج در آن حرکت میکند، بهطور ناگهانی تغییر میکند. همین تغییر سریع باعث میشود بخشی از موج مسیر زمانیاش را معکوس کند و حتی فرکانسش تغییر یابد.
سالها تصور میشد که مشاهده چنین چیزی عملا غیرممکن است. دلیلش هم ساده بود؛ برای ایجاد «مرز زمانی» باید ویژگیهای یک میدان الکترومغناطیسی بهصورت یکنواخت و بسیار سریع تغییر کند، چیزی که به انرژی عظیمی نیاز دارد. به همین دلیل، بازتاب زمان برای مدتها در حد یک ایده جذاب باقی مانده بود.
اما گروهی از دانشمندان مرکز پژوهشهای علوم پیشرفته دانشگاه شهری نیویورک، یا CUNY ASRC، راهحل متفاوتی پیدا کردند. آنها به جای تغییر ناگهانی کل محیط، از یک ماده مهندسیشده به نام متامتریال استفاده کردند. این متامتریال شامل نوار فلزیای بود که درون آن کلیدهای الکترونیکی بسیار سریع و خازنهای ذخیرهکننده انرژی قرار داشت.
پژوهشگران سیگنالهای پهنباند را وارد این ساختار کردند و با فعالسازی ناگهانی کلیدها، امپدانس نوار را دو برابر کردند. همین تغییر سریع کافی بود تا موجها نسخهای معکوسشده در زمان از خود تولید کنند. نتیجه، مشاهده مستقیم بازتاب زمان برای اولینبار در آزمایشگاه بود. یافتهها در نشریه علمی Nature Physics منتشر شدهاند.
گِنگیو شو، یکی از نویسندگان مقاله، توضیح میدهد که مشکل اصلی همیشه سرعت و یکنواختی تغییرات بوده است. موجهای الکترومغناطیسی بسیار سریع نوسان میکنند و تغییر دادن محیط در چنین بازه کوتاهی کار سادهای نیست. به گفته او، ایده اصلی این تیم این بود که بهجای دستکاری ماده اصلی، اجزایی را طراحی کنند که بتوان آنها را بهسرعت به سیستم اضافه یا از آن حذف کرد.
رفتار بازتاب زمان با بازتابهای معمولی تفاوتی عجیب دارد. در بازتاب فضایی، اولین بخش موج که به مانع میرسد، اول برمیگردد. اما در بازتاب زمانی، آخرین بخش موج زودتر بازتاب میشود. اگر بتوان چنین چیزی را دید، نگاه کردن در «آینه زمان» به این معنا بود که پشت سرتان را ببینید، نه صورتتان.
اگر این پدیده را به زبان صدا ترجمه کنیم، شبیه گوش دادن به یک نوار کاست است که روی حالت عقبگرد پخش میشود؛ صدا تندتر و زیرتر میشود. در مورد نور، این تغییر فرکانس میتوانست بهصورت تغییر ناگهانی رنگها دیده شود، مثلا نوری که قرمز بوده، ناگهان سبز شود.
همین ویژگیهای غیرشهودی باعث شده بود مطالعه بازتاب زمان تا امروز بسیار دشوار باشد. آندریا آلو، نویسنده مسئول مقاله و مدیر ابتکار فوتونیک در CUNY ASRC، میگوید دیدن تحقق پدیدهای که سالها پیش پیشبینی شده بود، هیجانانگیز است؛ بهویژه چون رفتار امواج بازتابیافته در زمان تا این حد با بازتابهای فضایی فرق دارد.
اما این همه تلاش برای چیست؟ چرا دانشمندان اینقدر به دنبال بازسازی بازتاب زمان بودهاند؟ پاسخ در کاربردهای آینده نهفته است. کنترل دقیقتر امواج الکترومغناطیسی میتواند ارتباطات بیسیم را به شکل چشمگیری بهبود دهد و حتی به توسعه رایانههای کممصرف مبتنی بر موج کمک کند.
به زبان ساده، هرچه شناخت ما از رفتار امواج کاملتر باشد، چه در حرکت رو به جلو و چه در حرکت معکوس در زمان، ابزارهای قدرتمندتری برای ساخت فناوریهای آینده در اختیار خواهیم داشت. بازتاب زمان شاید هنوز عجیب و دور از ذهن به نظر برسد، اما حالا میدانیم که فقط یک ایده نظری نیست؛ این پدیده واقعا وجود دارد.
