قطره‌ای که در سطح مایع در حال جهیدن و حرکت است، می‌تواند امواجی تولید کند که تاریخچه حرکت آشوب‌ناک آن را ذخیره می‌کند.

حافظه خوب. قطره‌ای که روی سطح مایعی مواج حرکت می‌کند، ظاهراً مسیری تصادفی را می‌پیماید، اما می‌توان این مسیر را به طور کامل معکوس کرد، زیرا الگوهای موج اطلاعاتی را درباره مسیر حرکت قطره ثبت می‌کند (ویدئوهای زیر را ببینید)

ضربه‌ای کوچک در مایع گاهی می‌تواند موجب شود که قطره‌ای روی سطح مواج مایع به طور موقتی شروع به جهیدن کند و بعد از آن قطره به سطح مایع بپیوندد. گروهی از پژوهش‌گران نشان دادند هنگامی که چنین قطره‌ای به واسطه امواجی که خود آن‌ها را تولید کرده، در مسیری مارپیچ حرکت می‌کند، با استفاده از اطلاعاتی که در امواج ذخیره شده، می‌تواند مسیرش را دقیقاً به صورت معکوس طی کند، هرچند حرکت قطره آشوب‌ناک و غیرقابل پیش‌بینی باشد. این بازگشت‌پذیری زمانی معمولاً برای ذراتی که در حال حرکت آشوب‌ناک و درهم و برهم هستند، امکان‌پذیر نیست، اما در این‌جا از حقیقتی بهره برده می‌شود که طبق آن سیستم قطره/موج به صورت یک نوع ماشین اطلاعات عمل می‌کند. در این پژوهش رابطه‌ای غیرمنتظره میان دو موضوع ظاهراً متفاوت ایجاد می‌شود: دینامیک حرکت آشوب‌ناک و محاسبات.

حرکات ذراتی که با یکدیگر در حال برهم‌کنش هستند، از مولکول‌ها تا سیارات گاهی ممکن است به شکل آشوب‌ناک باشد، یعنی به قدری غیرقابل پیش‌بینی می‌شوند که به نظر می‌رسد تصادفی باشند. توپ‌های بیلیارد که روی میز می‌غلطند و با یکدیگر برخورد می‌کنند، نمونه‌ای کلاسیک از این آشوب است. در میزی مستطیل‌شکل، حرکت‌ها منظم و قابل پیش‌بینی هستند و حداقل می‌توان به طور کلی و عمومی حرکت آن را بر حسب زمان معکوس کرد. هر فرد می‌تواند سرعت توپ‌ها را در هر لحظه معکوس کند و مسیر حرکت‌ آن‌ها را به طور معکوس بازیابی کند. اما اگر میز بیلیارد شکل غیرمعمول‌تری داشت، مثلاً به شکل ورزشگاهی با مرزهای نیم‌دایره‌ای، آن‌گاه توپ‌ها به صورت آشوب‌ناک حرکت می‌کردند و این حرکت از دید زمان بازگشت‌پذیر نبود. آشوب‌ها خط سیرهای دیگری ایجاد می‌کنند که شدیداً به حرکت‌های قبلی خود حساس و وابسته هستند، به طوری که تفاوت کوچک و غیرقابل اندازه‌گیری میان دو مسیر اولیه یا میان دو سرعت سریعاً به دو خط سیر بسیار متفاوت در زمان‌های بعدی منتهی می‌شود؛ در عمل حرکت‌های آغازین توپ‌ها «فراموش می‌شوند». این برگشت‌ناپذیری زمانی برای تمام سیستم‌های ذرات آشوب‌ناک وجود دارد، درحالی که امواج آشوب‌ناک عموماً بازگشت‌پذیر هستند.

امانوئل فورت از موسسه صنعتی فیزیک و شیمی (ESPCI پاریس‌تک) و هم‌کارانش نشان دادند برای قطره مایعی که در طول مسیری روی سطح حمامی از همان مایع در حال بالا و پایین پریدن است، آشوب‌ها مانعی بر سر راه بازگشت‌پذیری زمانی نیستند. پیش از این فورت و هم‌کارانش، این مجموعه‌ آزمایشی را برای مدل‌سازی پدیده‌ها در اپتیک، آکوستیک و مکانیک کوانتومی به کار گرفته بودند[1, 2].

ویدئویی از آزمایش‌های قبل‌تر آن‌ها قطره‌ای از روغن سیلیکون را نشان می‌دهد که در حال حرکت بر سطحی از همان مایع سیلیکون است، و توسط لرزش‌های مسیر و امواجی که خودش با جهش آن‌ها را تولید کرده، پیش می‌رود. این ویدئو 20 بار آهسته‌تر از حالت واقعی است. (برای مشاهده ویدئو به متن انگلیسی خبر مراجعه کنید).

آن‌ها در آخرین آزمایش‌های خود از روغن سیلیکون به عنوان مایع استفاده نمودند، و حرکت قطره را که به واسطه امواج سطحی در مسیری آشوب‌ناک به وجود آمده بود، دنبال کردند. امواج از برخورد قطره با سطح به وجود می‌آمدند، اما از طریق نوسانگر مکانیکی که حمام مایع را می‌لرزاند، نیز تغذیه انرژی می‌شد. پژوهش‌گران روغن سیلیکون را با سیالی حاوی ذرات مغناطیسی ترکیب کردند و سپس برای محبوس کردن قطره در میان «چاهی» دایره‌ای، میدانی مغناطیسی اعمال کردند تا مسیر قطره را به فضایی خاص محدود کنند. برای گستره خاصی از اندازه چاه‌ها (و در نتیجه فرکانس تشدید موج درون چاه) قطره درون مسیری حلقوی و در مسیری آشوب‌ناک که محدود به چاه می‌شد، بالا و پایین می‌پرید.

فورت و هم‌کارانش توانستند با معکوس کردن ناگهانی فاز، یا جهت حرکت موج‌ها، از طریق معکوس کردن نوسان‌گر مکانیکی خط سیر قطره را معکوس کنند، که با این کار موجب می‌شود امواجی که پیش از این به سمت پایین در حرکت بودند، به سمت بالا حرکت کنند. اعضای این گروه دریافتند که حتی اگر قطره در حال حرکت آشوب‌ناک هم باشد، بالا و پایین پریدن‌های آن را می‌توان تقریباً به شکلی دقیق ردیابی کرد. پژوهش‌گران می‌گویند اطلاعاتی درباره مسیر حرکت قبلی قطره در میدان موج (الگوهای امواج) ذخیره می‌شود و بنابراین قابل بازیابی است [3].

در آزمایش‌های این تیم، هنگامی که قطره در محیط اطراف بالا و پایین می‌جهد، هربار که به سطح برخورد می‌کند، با برانگیخته کردن یک موج کوچک جدید، میدان موج را تغییر می‌دهد. هنگامی که حرکت معکوس می‌شود، هر جهش در جهت عکس موج جدیدی را با فاز مخالف نسبت به فاز موج اصلی برانگیخته می‌کند، و آن را از بین می‌برد. به این ترتیب قطره هرچه به پیش می‌رود، اطلاعات قبلی را پاک می‌کند.

انیمیشنی از آزمایش‌های قبلی این گروه، مسیر آشوب‌ناک قطره روغن سیلیکون را نشان می‌دهد که در سطح حمامِ در حال لرزش از روغن سیلیکون، در حال جهش به بالا و پایین است. عرض «حصار» در این مورد 28/6 میلی‌متر است. (برای مشاهده  انیمیشن به متن انگلیسی خبر مراجعه کنید).

استفان پرارد که از دانشگاه دیدرو پاریس به عضویت این تیم درآمده و الان در دانشگاه شیکاگو است، می‌گوید: «با جفت کردن یک ذره به یک میدان موج بسط‌ ‌یافته، اطلاعات دینامیکی که قطره را راهبری خواهد کرد، در میدان موج گسترش می‌یابد. این گسترش اطلاعات تضمین می‌دهد که قطره دیگر نسبت به حالت اولیه خود حساس نباشد».

سیستم قطره/موج تمامی توانمندی‌های پایه یک رایانه را به نمایش می‌گذارد: نوشتن، ذخیره‌سازی، خواندن و پاک‌کردن اطلاعات. از این جهت شبیه به «رایانه جهانی» است که آلان تورینگ مطرح کرده است، و پیشتاز نظریه محاسبات است. پژوهش‌گران هنوز نتوانسته‌اند روشی برای استفاده از «ماشین تورینگ موجی‌»شان برای محاسبات ابداع کنند، اما پرارد می‌گوید ممکن است در آینده این امر محقق شود. دشواری کار این است که عملیات‌ها «سرتاسری» هستند، یعنی کل سیستم میدان موج را شامل می‌شود، به طوری که وجه تمایزی میان پردازش‌گر و حافظه وجود ندارد.

جان بوش پژوهش‌گری در زمینه دینامیک سیالات از موسسه فن‌آوری ماساچوست کمبریج می‌گوید: «بازگشت‌پذیری زمانی که در این مقاله نشان داده شد، یکی از ویژگی‌های جدید و جالب این سامانه فوق‌العاده غنی و بسیار برجسته در حوزه حرکات آشوب‌ناک است». وی افزود ارتباط آن با نظریه اطلاعات «ایده‌ای تحریک‌آمیز» است.

این پژوهش در Physical Review Letters منتشر شده است.

نویسنده: فیلیپ بال علمی‌نویس مستقل در لندن و نویسنده کتاب نامرئی: جذبه خطرناک عالم غیب (انتشارات دانشگاه شیکاگو، 2014)

منبع: Surface Waves Store Bouncing Droplet’s History

مراجع: Wave-Based Turing Machine: Time Reversal and Information Erasing