آیا می توانیم رایانه های فضایی بسازیم که روی گرانش کار کنند؟

یک آزمایش ریاضی درباره ماهیت فضا-زمان – بستر واقعیت فیزیکی – می‌تواند نخستین گام به سوی ساخت دستگاه‌های محاسباتی جدید باشد که با بهره‌گیری از گرانش، داده‌ها را پردازش می‌کنند.

آیا فضا-زمان ثابت و تغییرناپذیر است یا امکان تغییر شکل آن وجود دارد تا بر سیگنالی که از آن عبور می‌کند تأثیر بگذارد؟ بر اساس نظریه نسبیت خاص آلبرت اینشتین، فضا-زمان ایستا است؛ اما نظریه نسبیت عام دیدگاهی کاملاً متفاوت ارائه می‌دهد. در این چارچوب، اشیای عظیم فضا-زمان را خمیده و انحنا دار می‌کنند، مانند زمانی که یک توپ سنگین روی یک صفحه کشیده شده قرار می‌گیرد و می‌تواند مسیر سیگنالی که در مجاورت آن حرکت می‌کند را تغییر دهد.

Eleftherios Ermis Tselentis از پلی‌تکنیک école در بروکسل، بلژیک و Ämin Baumeler از دانشگاه لوگانو در سوئیس، اکنون یک آزمایش ریاضی ارائه کرده‌اند تا مشخص کنند آیا فضا-زمان در منطقه‌ای خاص ثابت باقی می‌ماند یا تغییر می‌کند.

آنها وضعیتی را تحلیل کردند که سه یا چند نفر با ارسال متقابل پیام‌ها با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. سوال آنها این بود که آیا یکی از این افراد – به نام‌های مستعار آلیس، باب و چارلی – می‌تواند با ایجاد تغییر در فضا-زمان، مسیر اطلاعات را دگرگون کند. آیا آلیس قادر است پیامی که برای باب ارسال شده را دریافت کند، زیرا فضا-زمانی که سیگنال طی کرده است تغییر یافته؟ آیا او می‌تواند رابطه علیت بین چارلی و باب را معکوس کند، به گونه‌ای که باب پاسخ چارلی را حتی پیش از دریافت پیام بپذیرد – و با این کار، فضا-زمان اطراف خود را دستکاری کند؟

تسلنتیس و بائوملر معادله‌ای استخراج کردند که به آلیس، باب و چارلی در شرایط ممکن بودن این دستکاری‌ها کمک می‌کند. پس از چندین چرخه ارسال پیام، می‌توانند تعیین کنند چه کسی پیام را دریافت کرده و این داده‌ها را با معادله خود تطبیق دهند.

نتایج نشان می‌دهند که آیا در شرایطی با قابلیت دستکاری فضا-زمان ارتباط برقرار شده است یا خیر. این چارچوب ریاضی به اندازه کافی کلی است که نیاز به دانستن موقعیت دقیق افراد در فضا یا استفاده از دستگاه‌های پیام‌رسانی غیرمعمول ندارد.

بائوملر توضیح می‌دهد که هرچند نظریه نسبیت عام طی دهه‌ها به عنوان توصیفی موفق از واقعیت فیزیکی پذیرفته شده، اما تاکنون پیوند ریاضی محکمی بین تغییرات فضا-زمان و جریان اطلاعات برقرار نشده است. جریان اطلاعات و مفاهیم مربوط به آن، اساس علوم کامپیوتر را تشکیل می‌دهد.

به این ترتیب، او معتقد است که کار تیم آنها می‌تواند قدمی ابتدایی در جهت بهره‌برداری از اثرات گرانشی – حرکت جرم‌ها و تغییر شکل فضا-زمان – برای انجام محاسبات باشد.

«اگر قرار است از اسرار فیزیک برای محاسبات استفاده کنیم، چرا نسبیت عام را امتحان نکنیم؟» پابلو آرتی از دانشگاه پاریس-ساکلی در فرانسه می‌گوید. او اشاره می‌کند که محققان دیگر نیز ایده‌های جسورانه‌ای مانند پرتاب رایانه به سیاه‌چاله را برای بهره‌برداری از تغییرات زمانی نزدیک افق رویداد مطرح کرده‌اند، به گونه‌ای که محاسبات بسیار طولانی را ممکن سازد.

اما نظریه جدید متمایز است زیرا به دستگاه‌های خاص یا نظریه‌های فضایی محدود نمی‌شود و می‌تواند در طیف وسیعی از شرایط کاربرد داشته باشد. او می‌گوید که ساخت دستگاهی برای «پردازش اطلاعات گرانش» امکان‌پذیر است.

تسلنتیس و بائوملر همچنین اذعان دارند که برای طراحی یک دستگاه عملی هنوز باید تحقیقات بیشتری انجام شود. محاسبات اخیر آنها بر اساس شرایطی ایده‌آل است – مثلاً جایی که آلیس یک سیاره کامل را برای نشستن میان چارلی و باب حرکت می‌دهد. برای دستیابی به کاربردهای عملی، باید اثرات گرانشی در مقیاس‌های کوچکتر را درک کرد.

شدت این اثرات منجر به سیگنال‌های بسیار ضعیف می‌شود برای اجسام عظیم، به همین دلیل ما معمولاً این تأثیرات تغییر شکل فضا را – مانند یک مداد روی میز خود – احساس نمی‌کنیم. با این حال، برخی دستگاه‌ها مانند ساعت‌هایی که بر پایه اتم‌های بسیار سرد ساخته شده‌اند، قادر به تشخیص این اثرات هستند. پیشرفت‌های آینده این دستگاه‌ها همراه با توسعه تئوری‌های مرتبط بین گرانش و اطلاعات، می‌تواند به کاربردهای عملی برای تحقیقات ریاضی تسلنتیس و بائوملر منجر شود.

تحقیقات آنها می‌تواند وضعیت تعامل بین پارادایم‌های مختلف – مانند نظریه اطلاعات و نسبیت خاص – را درک کرده و روشن کند، V. Vilasini از دانشگاه گرنوبل آلپ در فرانسه می‌گوید. از آنجا که کار جدید با موضوعاتی مانند وارونگی ترتیب وقایع سروکار دارد، پرسش‌هایی درباره مفاهیم بنیادی همچون ماهیت یک رویداد – مانند فشردن یک دکمه توسط آلیس برای ارسال پیام – مطرح می‌کند.

به گفته وی، گام بعدی باید تلفیق کامل‌تر این رویکرد با نظریه نسبیت عام باشد که می‌تواند درک عمیق‌تری از ذات فضا-زمان ارائه دهد.

«پدیده‌های اخترفیزیکی مانند ادغام سیاه‌چاله‌ها که امواج گرانشی تولید می‌کنند که به زمین می‌رسند، حاوی نشانه‌های قابل توجهی از نوع همبستگی‌هایی است که در این تحقیق مطالعه شده است و می‌تواند به ما نشان دهد که چگونه فضا-زمان را تغییر شکل دهیم» او می‌پرسد.