زمان چیست؟ چرا زمان با مکان متفاوت است؟ سرمنشاء زمان کجاست؟ آیا زمان واقعی است یا ساخته ذهن ما انسانهاست؟ اینها سؤالاتی هستند که ذهن متفکران مختلفی را در طول تاریخ به خود مشغول کرده است. در این نوشتار، میخواهیم کمی درباره ماهیت زمان و دیدگاههای مختلف درباره آن بیشتر بدانیم.
آگوستین قدیس درباره زمان میگفت: «اگر کسی از من نپرسد، میدانم که زمان چیست. اما، اگر بخواهم برای کسی که میپرسد توضیح بدهم، نمیدانم.» زمان مفهومی ظاهرا دست نیافتنی است: همه ما آن را تجربه میکنیم، اما هزاران سال است که چالش تعریف آن فیلسوفان و دانشمندان را به خود مشغول کرده است.
این چالش تا زمان آلبرت اینشتین همچنان ادامه داشت و پس از ارائه نظریه نسبیت توسط وی، ما توانستیم، درک ریاضیاتی پیچیدهتری از زمان و مکان ارائه دهیم که به فیزیکدانان امکان داد تا به طور عمیقتر، ارتباط بین زمان و فضا را بررسی کنند. همچنین فیزیکدانان در طی تلاشهای خود، دریافتند که برای یافتن منشأ زمان ناگزیریم تا با منشاء خود کیهان نیز روبرو شویم.
اما ماهیت زمان دقیقا چیست؟ و چگونه به وجود آمده است؟ آیا بُعد زمان از لحظه بیگبنگ وجود داشته است یا زمان همراه با آغاز تحول کیهان پدیدار شده است؟ نظریههای اخیر در مورد ماهیت کوانتومیِ گرانش، پاسخهای منحصر به فرد و خارقالعادهای را برای این پرسشهای هزاران ساله ارائه میدهد.
ادراک ما از زمان
هر چیزی که تصور میکنید درباره «زمان» میدانید تا حد زیادی از تجربه درونی شما ناشی میشود. از نظر تجربهی ذهنی، فقط لحظه «اکنون» وجود دارد و فقط حدود یک ثانیه را در بر میگیرد. ما این را «زمانِ حال» مینامیم، اما از نظر فنی، روانشناسان، فیلسوفان، فیزیکدانان و محققان مغز آن را «تجربه اکنون» مینامند. مغز شما درک شما از گذشته را از طریق خاطرات ضبط شده خود و حس شما نسبت به آینده را از پیشبینیهایی که در مورد اتفاقاتی که در چند ثانیه، چند دقیقه یا چند ساعت آینده ممکن است رخ دهند، تولید میکند. جریان زمان توهمی است مبتنی بر خاطرات متوالی، تجربه شما از زمانِ حال، و توالی رویدادهایی که در ثانیههای آینده پیش بینی میکنید. یک قرن دانش جمعآوری شده از قربانیان سکته مغزی و آسیبشناسیهای عصبی فیزیولوژیکی، این را آشکار کرده است که بسیاری از سیستمهای مغزی – مانند قشر جلوی پیشانی، عقدههای قاعدهای و قشر منزوی قدامی ما باید با هم کار کنند تا درک ما از زمان را برای ما فراهم کنند.
ما از خاطرات گذشته و حس خود از نحوه رفتار دنیای فیزیکی استنباط میکنیم که گذشته ما واقعاً اتفاق افتاده است. این یک توهم تصادفی از تصاویر لحظهای نامرتبط نیست. همچنین چیزهایی وجود دارند که میتوانند ابعاد دیگر این داستان را تأیید کنند: دفتر خاطرات روزانه، عکسها، فیلمهای ضبط شده، اسناد تاریخی، حتی آثار باستانشناسی و فسیلها. بسیاری از این سوابق را میتوان با تکنیکهای مستقل تاریخگذاری کرد، که یک داستان تاریخی خودسازگار را تقویت میکند.
اما، چرا ما گذشته را به یاد میآوریم ولی آینده را نه؟ دلیل این عدم تقارن مربوط به آنتروپی است، میزان بینظمی در جهان. ما به این دلیل خاطرات و سوابق تاریخی داریم که آنتروپی در گذشته کمتر از آنتروپی فعلی جهان بوده است.
جهان ما دارای یک پیکان زمانی است که در آن آنتروپی با زمان افزایش مییابد. این با احساسِ ما از زمان به عنوان یک خیابان یک طرفه، از حالت منظم گذشته تا وضعیت بینظمی آینده تطابق دارد. با اینحال، هیچ مبنایی برای پیکان زمان در فیزیک میکروسکوپی – قلمروی مکانیک کوانتومی – وجود ندارد. این معادلات به همان اندازه معتبر هستند که اگر جهت زمان برعکس میبود، تغییر جهت زمان تأثیری در معادلات ندارند. برخی از دانشمندان فکر میکنند که پیکان زمان به این دلیل وجود دارد، که جهان باید از یک حالت فوقالعاده منظم و نامحتمل شروع شده باشد. به این ایده «فرضیه گذشته» (Past Hypothesis) میگویند.
نظم زمان
همانطور که سیستمها تحول مییابند، حالتهای ممکن آنها با افزایش فضای اشغال شده برای حالتهای آنها افزایش مییابد. بنابراین، آنتروپی در جهان در همان جهتی در زمان افزایش مییابد که جهان در حال انبساط است که ما آن را به عنوان پیکان زمان تجربه میکنیم. تمام تجربیات ذهنی ما در چنین زمینهای اتفاق میافتد. کارلو روولی، فیزیکدان دانشگاه اکسمارسی فرانسه، در کتاب خود به نام «نظم زمان» خاطرنشان میکند: «برای به جا گذاشتن ردپایی، لازم است چیزی متوقف شود، از حرکت باز بماند، و این تنها در یک فرآیند برگشتناپذیر میتواند اتفاق بیفتد. – یعنی با تجزیه انرژی به گرما.» این امر زمانی صادق است که شهابسنگها اثر برخورد خود را بر روی زمین به جای بگذارند و طی برخورد گرما آزاد کنند و هارد دیسکهای کامپیوتر وقتی که دادهها روی آنها ثبت میشود گرم شوند. در مغز شما نیز چنین چیزی رخ میدهد: همانطور که روولی خاطرنشان میکند، هر خاطرهای که دارید به این دلیل ایجاد شده است که برای ایجاد یک مسیر حافظه انرژی صرف میشود و این ثبت اطلاعات هم مغز شما را گرم میکند و هم آنتروپی آن را افزایش میدهد
زمان و فضا-زمان
دانشمندان میخواهند چگونگی ادراک ما از زمان را به صورت ریاضیاتی بفهمند که بتوانیم از طریق آزمایشهای تجربی مورد بررسی قرار دهیم. در نسبیت، سه بعد فضای فیزیکی با یک بعد زمان به صورت یک فضا-زمان چهار بعدی ترکیب میشوند. اجزای سازنده اساسی فضا-زمان، رویدادها و جهانخطها هستند. رویدادها نقاطی در فضا-زمان چهار بعدی هستند که در آن برخی فعل و انفعالات فیزیکی یا پدیدههایی مانند برخورد دو ذره یا گسیل یک فوتون توسط ذره صورت میگیرد. جهانخطها، مسیرهایی هستند که اجسام در فضا-زمان در امتداد دنبالهای از رویدادها دنبال میکنند.
از نظر ریاضیاتی، ما با فضا-زمان به عنوان یک پیوستار چهار بعدی کار میکنیم: بین هر دو نقطه چهار بعدی، تعداد بینهایت نقطه اضافی وجود دارد. این یک تقریب ساده است، اما فضا-زمان فیزیکی واقعی را نشان نمیدهد. در واقعیت، تعداد نامحدودی از رویدادهای واقعی و فیزیکی وجود ندارد و بنابراین بیشتر نقاط ریاضی فاقد هر ویژگی فیزیکی هستند.
این بدان معناست که آنچه که ما فضای سه بعدی مینامیم توهمی است از نقاط شبحوار و خالی که به هیچ چیز در دنیای واقعی ما مرتبط نیستند. اینشتین این ایده را اینطور بیان کرد:
زمان و مکان حالتهایی هستند که در آن فکر میکنیم و نه شرایطی که در آن زندگی میکنیم.
همانطور که فیزیکدان لی اسمولین از موسسه فیزیک نظری Perimeter در واترلو، در کتاب «سه راه به سوی گرانش کوانتومی» اشاره میکند
جهان پیرامون ما چیزی نیست جز شبکهای از روابط در حال تحول. این روابط در میان چیزهایی که در فضا قرار دارند، نیستند. آنها از جمله رویدادهایی هستند که تاریخ جهان را میسازند. روابط، فضا را تعریف میکنند نه برعکس.
نسبیت حداقل دو دیدگاه درباره ماهیت واقعیت عینی ارائه میدهد. در یکی، فضا-زمان «بلوکی» است که جهانخطهای همه اشیاء به طور کامل در آن وجود دارند. این دیدگاه، ابدیت نامیده میشود. رویدادهای گذشته، حال و آینده همه با هم در این به اصطلاح جهان بلوکی وجود دارند و هر رویدادی به یک اندازه واقعی است. ناتوانی ما در درک رویدادهای آینده یک توهم است. همانطور که فیزیکدان هرمان ویل در کتاب فلسفه ریاضیات و علوم طبیعی نوشت: «جهان عینی به سادگی، هست. اتفاق نمیافتد. تنها به نگاه خودآگاهی من در امتداد جهانخط بدنم به سمت بالا میخزد، بخشی از جهان به عنوان تصویری زودگذر از فضا زنده میشود که پیوسته در زمان تغییر میکند.»
جهان بلوکی برای علاقمندان به سفر در زمان بسیار لذت بخش است چرا که میگوید رویدادهای گذشته هنوز وجود دارند و اگر فناوری مناسبی داشته باشیم می توانیم دوباره آنها را ببینیم. از سوی دیگر، اگر جهانخطِ هر اتم در بدن شما، هر الکترون در مدار آن، و هر انتقالدهنده عصبی در راه خود به سوی سیناپس از قبل مشخص شده باشد، هیچ ارادهی آزاد و اختیاری وجود نخواهد داشت.
یک ایده متضاد، حالگرایی (Presentism) است که در آن گذشته و آینده وجود ندارند و فقط حال، فیزیکی است. حالگرایی با این احساس ما که گذشته به پایان رسیده است، حال، آنی است و آینده باز است و به ما اختیاری برای انتخاب آینده مختص به خودمان را میدهد، مطابقت دارد.
جهان بلوکی کریستالی شده
فیزیکدان جورج الیس از دانشگاه کیپ تاون در آفریقای جنوبی و تونی روتمن از دانشگاه پرینستون ترکیب جالبی از این ایدهها را در سال ۲۰۰۹ مطرح کردند. آنها آن را جهان بلوکی متبلور نامیدند: گذشتهی لحظه فعلی از طریق خاطرات و سوابق، ثابت و ذخیره شده است. – در برخی موارد، به معنای واقعی کلمه در سنگ حک شده است. آیندهی لحظه فعلی، ابری از احتمالات است که توسط قوانین مکانیک کوانتومی تعیین میشود. آنچه که ما آن را «اکنون» مینامیم، مرز بین این دو رژیم است، که نامعین بودن آینده در حال متبلور شدن به قطعیت گذشته است. انسانها از طریق ادراک خود از حال فردی خود بر این مرز تبلور سوار میشوند.
این دیدگاه، به ایده سفر در زمان پایان میدهد. در این دیدگاه، گذشته وجود دارد، اما به عنوان مجموعهای از اطلاعات شبیه به هولوگرام. برای اینکه کسی به گذشته سفر کند و با یک شی (صخره، پدربزرگش و غیره) روبرو شود، باید این کار را در امتداد جهانخطی انجام دهد که شی گذشته را قطع میکند. اما تمام جهانخطی که تاریخچه شیء را تشکیل میدهند، قبلاً بخشی از جهان گذشته ما هستند. از آنجایی که اتمهای مسافر زمان فرضی و خطوط جهانی آنها بخشی از سابقه شناخته شده گذشته ثبت شده در هولوگرام نیستند، رویداد سفر در زمان رخ نداده است! سفر به گذشته مانند تلاش برای قدم گذاشتن در هولوگرام یا قرار دادن خود در یک عکس خانوادگی است. بهترین کاری که میتوانیم انجام دهیم این است که تمام رکوردهای رمزگذاری شده در فضای سه بعدی در مورد یک رویداد یا شی خاص را جمعآوری کنیم تا دید واضحتری از گذشته به ما ارائه دهد.
این بحثها شیوهای برای تفکر در مورد زمان در مقیاس کوانتومی، انسانی و کیهانی به ما ارائه میدهد، اما ما را به این معمای اساسی نزدیک نمیکند که چرا فضا-زمان شامل سه بعد کاملاً فضاگونه و دقیقاً یک بعد کاملاً زمانگونه است. برای این منظور، ما ابتدا باید این را درک کنیم که، از نظر نسبیت عام، فضا-زمان تنها راه دیگری برای توصیف میدان گرانشی است که ما را احاطه کرده است. و این حوزه از فیزیک نیز مانند همه حوزههای دیگر احتمالاً تابع مکانیک کوانتومی است.
گرانش کوانتومی
مدل استاندارد، نظریه بنیادی ما درباره چگونگی عملکرد سه نیروی طبیعت یعنی الکترومغناطیس و نیروهای قوی و ضعیف – بر روی مجموعهای از ۱۲ ذرهی مادی مختلف (و جفتهای پاد- ماده آنها) است. این مدل، میدانهای کوانتومی را توصیف میکند که ذرات را با هم مبادله میکنند، که نیروها (بوزونها) را بین ذرات ماده (فرمیونها) منتقل میکنند و ساختارهای پیچیدهای مانند اتمها را تولید میکنند.
مدل استاندارد آنقدر موفق است که آزمایشهای متعدد در برخورددهندهی بزرگ هادرون در سرن، که با انرژیهایی تا حد ۱۴۰۰۰ گیگا ولت کار میکند، تاکنون نتوانسته است انحراف قابل توجهی از پیشبینیهای محاسبه شده را پیدا کند. اما میدانیم که مدل استاندارد ناقص است زیرا در آن جایی برای پدیدههای متعددی که مشاهده میکنیم وجود ندارد. یکی از این پدیدهها ماده تاریک است، ماده نامرئی که کهکشانها را به هم میچسباند. انرژی تاریک، انرژی دافعه اسرارآمیزی که باعث انبساط سریعتر جهان میشود. و هر مکانیسمی برای توضیح تورم کیهانی، انبساط نمایی جهان در مراحل اولیه آن، یا این واقعیت که ما در جهانی زندگی میکنیم که به جای مقادیر مساوی ماده و پادماده تحت سلطه ماده است.
مدل استاندارد همچنین هیچ توضیحی برای گرانش، چهارمین نیروی بنیادین طبیعت ندارد. دلیل آن این است که گرانش – با چهرهی فضا-زمان – در واقع پایه مختصات ۴ بعدی را برای همه میدانهای مدل استاندارد فراهم میکند. در نهایت، ما به یک نظریه کوانتومی برای گرانش نیاز داریم که منتج به فضا-زمانی شود که شبیه فضا-زمان ما است، همانطور که نسبیت عام توصیف کرده است، اما در عین حال بتواند توضیح دهد که چگونه مدل استاندارد بوجود میآید. این نظریه همچنین باید ماده تاریک، انرژی تاریک، تورم، و فراوانی ماده را نسبت به پادماده، را نیز توضیح دهد.
نظریه ریسمان که در دهه ۱۹۸۰ توسط جان شوارتز از کلتک، مایکل گرین از دانشگاه کوئین مری لندن و دیگران توسعه یافت، یک تلاش برای توصیف کوانتومی از گرانش است. این نظریه، ذرات و میدانهای مدل استاندارد را به صورت حلقههای انرژی ۱ بعدی توصیف میکند که در یک فضا- زمان ۱۱ بعدی حرکت و ارتعاش میکنند. مشکل این است که نظریه ریسمان بستگی به یک فضا-زمان چهار بعدی مسطح دارد که از قبل وجود دارد که ریسمانها از طریق آن حرکت میکنند. این بدان معناست که گراویتونها – ذرات فرضی که نیروی گرانش را منتقل میکنند – فقط میتوانند بسیار ضعیف با فضا-زمان برهمکنش داشته باشند. نظریه ریسمان هنوز نمیتواند وجود خود فضا-زمان را از آمد و رفت کوانتومی گراویتونها بدست آورد. همچنین توانایی ارائه یک بینش عمیقتر درباره ماهیت زمان را ندارد.
به همین جهت، ما باید فراتر از نظریه ریسمان نگاه کنیم. یکی از این احتمالات که در ۳۰ سال گذشته مورد توجه بسیاری قرار گرفته است، گرانش کوانتومی حلقه (LQG) نام دارد.
نظریه LQG که در دهه ۱۹۹۰ توسط اسمولین و روولی توسعه یافت، پیشنهاد میکند که فضا شامل اجسامی به نام گرههایی است که حجمهایی در مقیاس پلانک یعنی ۹۹-۱۰سانتیمتر مکعب دارند (مقیاس پلانک، کوچکترین مقیاسی که فیزیک میتواند آن را توضیح دهد). این گرهها محل وجود فضای سه بعدی را مشخص میکنند. گرهها مانند مجموعهای از قلاببافیها با پیوندهایی به یکدیگر متصل میشوند. شبکه این گرهها و پیوندها را شبکهی اسپینی مینامند. اما شبکههای اسپین را میتوان در توالیهایی تغییر داد که پیوندها و گرهها را اضافه و کم میکنند. این تغییرات یک شبکه ۴ بعدی به نام اسپین فوم را تشکیل میدهد.
اسپین فوم یک ساختار ۳+۱ بعدی است که ۱ نشان دهنده جهتی است که در آن تغییرات بین شبکههای اسپین رخ میدهد. نکته قابل توجه در مورد فومهای اسپین این است که اگرچه به نظر میرسد آنها کاملاً فضایی هستند، اما پدیدهای که ما آن را به عنوان زمان میشناسیم، از تغییرات پی در پی در این شبکهها پدیدار میشود.
توجیه تفسیر این محور تغییر به عنوان زمان به یکی از مهمترین ویژگیهای نسبیت به نام «اصل علیت» مربوط میشود. این اصل بر این باور است که تأثیرات باید پس از علل خود در فضا-زمان بیایند، که به ما امکان میدهد رویدادها را در یک خط زمانی منطقی به یکدیگر متصل کنیم.
به طرح شجرهنامه خانوادگی خود فکر کنید. خطوطی که بین پدربزرگ و مادربزرگتان، والدینتان، و خودتان میکشید، نشانهای از علت و معلول است، نه خطوط فیزیکی در فضا. اما آنها یک زمانخط بسیار خام را تشکیل میدهند. به طور مشابه، علیت به ما این امکان را میدهد که تغییرات در یک اسپین فوم را به دنبالههایی نسبت دهیم که به عنوان فضای در حال آشکار شدن در طول زمان تفسیر میکنیم.
در هر شبکه اسپین مجموعه کوچکی از گرهها و پیوندها تعبیه شده است که میتوانند به عنوان ساعت برای آن شبکه عمل کنند – مانند یک لحظهنگار در یک عکس. اما همانطور که یک لحظهنگار خارج از یک عکس وجود ندارد، مفهوم زمان تنها میتواند در شبکههای اسپینی وجود داشته باشد.
پدیداری زمان
این ایده که زمان یک پدیده برآمده (emergent) از درون فضا-زمان ما است و خارج از آن وجود ندارد، در سال ۱۹۸۳ توسط فیزیکدانان دان پیج از دانشگاه آلبرتا و ویلیام ووترز از کالج ویلیامز ارائه شد. این یک راه حل دراماتیک برای منشا زمان بود که سرچشمه زمان را در پدیدهای به نام درهمتنیدگی کوانتومی قرار میداد.
در مکانیک کوانتومی، اگر دو ذره با یکدیگر برهمکنش کنند به گونهای که دیگر حالتهای کوانتومی آنها به طور مستقل قابل توصیف نباشد، در همتنیده میشوند: یعنی اگر حالت کوانتومی یک ذره را اندازه گیری کنید، باعث میشود ابر فازی از تمام حالتهای ممکن به یک حالت واحد فروپاشی کند، و سپس میتوانید بلافاصله وضعیت کوانتومی ذره شریک آن را استنباط کنید. تابع موجی ذره جفتشده نیز فوراً فرو میپاشد، حتی اگر آن ذره در سمت دیگر کیهان واقع شده باشد. اینشتین از این پدیده متنفر بود زیرا اصل علیت در نسبیت را نقض میکند- دلیل دیگری که مکانیک کوانتومی و نسبیت با هم ترکیب نمیشوند.
اما پیج و ووترز پیشنهاد کردند که یک سیستم درهمتنیده میتواند باعث پدید آمدن پدیده زمان شود – و اخیراً دانشمندان شروع به آزمایش این فرضیه در آزمایشگاه کردهاند. در سال ۲۰۱۳، آزمایشهایی به رهبری فیزیکدان Ekaterina Moreva در Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica در تورینو، ایتالیا، نشان داد که ظهور زمان در سیستمی از دو فوتون درهمتنیده رخ میدهد. اگر یک ناظر از یک فوتون به عنوان ساعت مرجع – یا لحظهنگار – برای مشاهده ذرهی همتای درهمتنیده خود استفاده کند، به نظر میرسد که سیستم در زمان تحول مییابد. اما برای ناظری که فوتونهای درهمتنیده را با بقیه کیهان مقایسه میکند، سیستم ثابت میماند. این بدان معناست که زمان فقط برای ناظران درون کیهان پدیدار میشود – هیچ ساعت «خارج از کیهان» جایی که زمان وجود دارد، وجود ندارد.
درهمتنیدگی کوانتومی پدیدهای در فیزیک کوانتومی است که ممکن است به فهم ما از چگونگی پدیدار شدن زمان کمک کند.
در ارتباط با ایده درهمتنیدگی کوانتومی، ایدهی پیشنهاد جهان بدون مرز برای سرمنشا انفجار بزرگ است که توسط جیمز هارتل در دانشگاه کالیفرنیا، و استیون هاوکینگ فقید، و همچنین به طور مستقل توسط الکساندر ویلنکین در دانشگاه تافتس ارائه شد. در سال ۱۹۸۳، آنها پیشنهاد کردند که یکی از چهار بعد فضایی کیهان از طریق تونلزنی کوانتومی به صورت یک بعد زمانگونه در انفجار بزرگ پدیدار شده است. این ایده باعث شد که ایدهی «تورم ابدی» در ذهن الکساندر ویلنکین جرقه بزند. اگرچه جهان در ابتدا از ابعاد فضاگونه مختلف ساخته شده بود، هنگامی که یک بعد به عنوان جهتی نشانگر حالات گذشته به آینده پدیدار شد، انفجار بزرگ رخ داد. این امر باعث پیشروی جهان در جهت افزایش آنتروپی شد و پیکان زمان را مشخص کرد – یک گذار بحرانی. به گفته اسمولین، بدون آن هیچ فضا-زمان منسجم ۳+۱ بعدی وجود نخواهد داشت، بلکه صرفاً مجموعهای تصادفی از اسپین فومهای فضایی ۴ بعدی که به فضا-زمان فیزیکی ما منتهی نمیشوند، وجود خواهند داشت.
حرف آخر!
تجربه ما از زمان ممکن است ذهنی و محدود به حس اکنون باشد، اما در مقیاس کیهانی، به نظر میرسد زمان یک ویژگی روابط درهمتنیده بین اجزای جهان است و نه یک ویژگی خارج از جهان ما. پیکان زمان نتیجه افزایش آنتروپی یک جهان در حال انبساط از زمان انفجار بزرگ است. به نظر میرسد که این واقعیت، ما را از یادآوری آینده باز میدارد. اما حداقل ما خاطرات گذشته خود را داریم، به لطف حرکت پیوسته آنتروپی، که به ما امکان میدهد رویدادهای گذشته را بازیابی کنیم و آنها را به یک داستان خودسازگار پیوند بزنیم. از خوششانسی ما، به نظر میرسد که جهان ما داستان سازگاری برای گفتن دارد!
مجله علم روز