در جست‌وجوی زمان از دست رفته

[Hamed]

زمان چیست؟ چرا زمان رو به جلو می‌رود؟ آیا زمان واقعیت دارد؟
مفهوم زمان یكی از اسرارآمیزترین مفاهیم در تاریخ فیزیك بوده است و در حال حاضر نیز از مسائل دشوار فیزیك معاصر به‌شمار می‌رود. این مطلب آخرین مطالعات و نظریه‌های فیزیكی را درباره زمان معرفی و بررسی می‌كند.
هیچ‌كس بهتر از فرنس كرایوس حساب زمان در دستانش نیست. در آزمایشگاه او در موسسه ماكس پلانك واقع در كراچینگ آلمان كه مركزی مختص اپتیك كوانتومی است، دقیق‌ترین زمان‌سنجی تاریخ انجام شده است. به این معنا كه كوچك‌ترین بازه‌های زمانی را كه تاكنون مشاهده شده‌اند، اندازه‌گیری كرده‌اند.
كرایوس برای انجام این كار از پالس‌های لیزر فرابنفش استفاده كرده است تا حركت‌های بسیار سریع و كوتاه الكترون‌های درون اتم را ردگیری كند. این پدیده‌ها كه او به دنبال كاوش آنهاست، تنها حدود ۱۰۰ آتوثانیه طول می‌كشند.
برای داشتن تصور بهتری از این بازه زمانی در نظر آورید كه نسبت ۱۰۰ آتوثانیه به یك ثانیه، مانند نسبت یك ثانیه به ۳۰۰ میلیون سال است! حتی تصورش هم غیرممكن است، اما چنین بازه زمانی‌ای در طبیعت وجود دارد و حتی اندازه‌گیری هم شده است.
● كمترین واحد زمان
با این حال حتی كارهای كرایوس هم از كوچك‌ترین مقیاس زمانی بسیار فاصله دارد. یك محدوده زمانی به نام «ابعاد پلانك» وجود دارد كه حتی آتوثانیه نیز در برابر آن مانند میلیون‌ها سال است.
این مقیاس مرز فیزیك شناخته‌شده را مشخص می‌كند؛ ناحیه‌ای كه در آن فواصل و بازه‌های زمانی آنقدر كوتاه هستند كه بسیاری از مفاهیم فضا و زمان شروع به فروپاشی ‌كنند.
زمان پلانك یعنی كوچك‌ترین واحد زمانی كه معنای فیزیكی دارد، ۱۰ به توان ۴۳- ثانیه است. این مقدار كوچك‌تر از یك ‌تریلیونیم تریلیونیم آتوثانیه است. ماورای آن چیست، آیا زمانی كوچك‌تر از آن هم وجود دارد؟ این زمان ناشناخته است، حداقل برای امروز.
تلاش برای درك زمان‌هایی پایین‌تر از ابعاد پلانك، منجر به جهش‌های عجیبی در فیزیك شده است. به طور خلاصه مساله این است كه آیا امكان دارد آن زمان (زمانی كوچك‌تر از زمان پلانك) در بنیادی‌ترین سطح واقعیت فیزیكی وجود نداشته باشد.
اگر چنین است، پس زمان چیست و چرا اینقدر واضح و قدرتمندانه دارای حضوری مطلق در تجربه شخصی ماست؟
سیمون ساندرز، فیلسوف فیزیك از دانشگاه آكسفورد در پاسخ به این نوع مسائل می‌گوید: «معنای زمان به طرز وحشتناكی برای فیزیك معاصر مساله‌ساز شده است. وضعیت آنقدر مشكل است كه بهترین كاری كه شخص می‌تواند انجام دهد، اعلام لاادری‌گری است. یعنی نداشتن هیچ موضع و ترجیحی نسبت به این مساله.»
مشكل زمان از یك قرن قبل آغاز شد، وقتی نظریه‌های نسبیت خاص و نسبیت عام اینشتین، تصور معمول از زمان را به عنوان یك ثابت جهانی درهم ریخت. یكی از پیامدهایش آن بود كه گذشته، حال و‌ آینده مطلق نیستند. نظریه‌های اینشتین همچنین چالشی جدی در فیزیك به‌وجود آورد، زیرا قوانین نسبیت عام (كه گرانش و ساختار بزرگ مقیاس جهان را توصیف می‌كند) با قوانین فیزیك كوانتومی (كه بر جهان خرد حكومت می‌كند) ناسازگار به‌نظر می‌رسد.
حدود چهار دهه قبل دو فیزیكدان مشهور یعنی جان ویلر كه در آن زمان در دانشگاه پرینستون بود و برایس دویت از دانشگاه كارولینای‌شمالی، معادله‌ای عجیب و خارق‌العاده ارائه دادند كه چارچوبی ممكن برای سازگاری بخشیدن به نسبیت و مكانیك كوانتومی فراهم می‌كرد. اما معادله ویلر-دویت همواره مناقشه‌برانگیز بوده است، زیرا به سهم خودش پیچیدگی عجیب‌تری از فهم ما نسبت به زمان به نظریه نسبیت اضافه كرده است.
كارلو روولی، فیزیكدانی از دانشگاه مدیترانه‌ای مارسی در فرانسه می‌گوید: «زمان ناگهان از معادله ویلر-دویت ناپدید می‌شود و این موضوعی است كه برای بسیاری از نظریه‌پردازان معما شده است.
شاید بهترین راه برای فكر كردن درباره واقعیت كوانتومی كنار گذاشتن زمان باشد. به این ترتیب توصیف بنیادی از جهان باید بی‌زمان باشد.»
تا به حال هیچ‌كس در استفاده از معادله ویلر-دویت برای یكی‌كردن نظریه كوانتوم و نسبیت عام موفق نشده است. با این حال اقلیت قابل‌توجهی از فیزیكدان‌ها شامل روولی معتقدند هر نظریه موفقی از تلفیق دو شاهكار فیزیك قرن بیستم نهایتا جهانی را توصیف خواهد كرد كه در آن زمان به‌طور اجتناب‌ناپذیری وجود ندارد.

[Hamed]

این مساله كه زمان ممكن است وجود نداشته باشد در میان فیزیكدانان به نام «مساله زمان» شناخته می‌شود. این مساله ممكن است بزرگ‌ترین مساله باشد اما هنوز از پیچیده‌ترین سوال در مورد زمان فاصله دارد.
«مساله زمان» در رقابت با این واقعیت عجیب در رتبه دوم قرار می‌گیرد كه قوانین فیزیك توضیح نمی‌دهند چرا زمان همواره رو به جلو می‌رود. تمام قوانین فیزیك – چه قوانین نیوتن و اینشتین یا حتی قوانین كوانتوم – با معكوس شدن جهت زمان به همین صورت كنونی باقی خواهند ماند تا جایی كه ما می‌توانیم بگوییم، با اینكه زمان یك فرآیند یك‌سویه است و هرگز معكوس نمی‌شود، هیچ قانونی آن را محدود نمی‌كند. یعنی هیچ‌یك از قوانین فیزیك یك‌سویه بودن جهت زمان را تضمین نمی‌كنند.
ست‌لوید، یك متخصص مكانیك كوانتومی از دانشگاه Mit در پاسخ به این سوال كه زمان چیست، می‌گوید: «این بسیار اسرارآمیز است كه چرا ما یك‌ چنین پیكان زمان واضحی داریم. توضیح معمول برای این مساله آن است كه برای مشخص كردن آنچه در یك سیستم اتفاق می‌افتد، شما نباید تنها قوانین فیزیكی حاكم بر آن سیستم را معین كنید، بلكه باید بعضی از شرایط اولیه و پایانی آن را نیز مشخص كنید.»
لوید می‌گوید مادر تمام شرایط اولیه، مهبانگ است. فیزیكدانان باور دارند كه جهان به صورت یك توپ ساده و بسیار فشرده از انرژی آغاز شده است. به‌رغم اینكه قوانین فیزیك خود نمی‌توانند پیكان زمان را به‌وجود آورند، انبساط جهان كه هنوز هم ادامه دارد این كار را انجام می‌دهد. همانطور كه جهان منبسط می‌شود، پیچیده‌تر و بی‌نظم‌تر می‌شود.
افزایش بی‌نظمی (كه فیزیكدان‌ها آن را افزایش آنتروپی می‌نامند) ناشی از انبساط جهان، ممكن است منشأ آن چیزی باشد كه ما به عنوان رژه روبه‌جلو و بی‌وقفه زمان تصور می‌كنیم.از این دیدگاه، زمان چیزی نیست كه جدا از جهان وجود داشته باشد.
خارج از كیهان هیچ تیك‌تاك ساعتی وجود ندارد. اكثر ما تمایل داریم به زمان آن‌گونه كه نیوتن فكر می‌كرد، فكر كنیم: «زمان مطلق، درست و ریاضی به دلیل ماهیتش به طور یكنواخت و مستقل از هر چیز خارجی، جریان دارد.»
اما همانطور كه اینشتین اثبات كرد، زمان قسمتی از بافت جهان است. برعكس آنچه كه نیوتن باور داشت، ساعت‌های معمولی ما چیزی مستقل از جهان را اندازه نمی‌گیرند.
طبق گفته لوید، در واقع ساعت‌ها اصلا زمان را اندازه‌گیری نمی‌كنند. او می‌گوید: «اخیرا به موسسه ملی استاندارد و تكنولوژی در بولدر رفتم؛ یك آزمایشگاه دولتی كه محل نگهداری ساعت اتمی استاندارد است. من به آنها گفتم ساعت‌های شما زمان را بسیار دقیق اندازه می‌گیرند.
آنها در جواب گفتند، ساعت‌های ما زمان را اندازه‌گیری نمی‌كنند! من فكر كردم این حرف از سر تواضع است. اما آنها گفتند: نه، تعریف زمان آن چیزی است كه ساعت‌های ما اندازه‌گیری می‌كنند. این حرف كاملا درست است. آنها زمان استاندارد جهانی را تعریف می‌كنند. زمان با تعداد تیك‌های ساعت‌های آنها تعریف می‌شود.»

[Hamed]

روولی، مدافع جهان بدون زمان می‌گوید: زمان‌سنج‌های موسسه استاندارد، این كار را درست انجام می‌‌دهند. به‌علاوه نقطه‌نظر آنها با معادله ویلر-دویت سازگار است. «ما هیچ‌وقت زمان را نمی‌بینیم، ما تنها ساعت‌ها را مشاهده می‌كنیم.
اگر شما بگویید این جسم حركت می‌كند، واقعا منظورتان آن است كه جسم اینجاست وقتی عقربه ساعت شما اینجاست و به همین ترتیب مراحل حركت جسم را می‌توانید توصیف كنید.
ما می‌گوییم زمان را با ساعت اندازه می‌گیریم، اما تنها عقربه‌های ساعت را می‌بینیم نه خود زمان را و عقربه‌های ساعت درست مانند موارد مشابه دیگر تنها متغیرهای فیزیكی هستند. بنابراین به یك معنا ما تقلب می‌كنیم، زیرا آنچه واقعا مشاهده می‌كنیم متغیرهایی فیزیكی هستند به عنوان توابعی از متغیرهای فیزیكی دیگر، اما ما آن را طوری نمایش می‌دهیم كه انگار همه چیز در زمان تغییر می‌كند.
آنچه درباره معادله ویلر-دویت پیش می‌آید آن است كه ما مجبور به توقف این بازی می‌شویم. در عوض معرفی این متغیر ساختگی (یعنی زمان كه خودش مشاهده‌پذیر نیست)، باید تنها توصیف كنیم كه متغیرها چگونه به متغیرهای دیگر مرتبط هستند. سوال این است كه آیا زمان یك ویژگی بنیادی واقعیت است یا تنها یك نمایش ماكروسكوپی از چیزهاست؟
من آن را تنها یك اثر ماكروسكوپی می‌دانم؛ چیزی كه تنها برای اشیای بزرگ ظهور می‌یابد.» به‌طور خلاصه مساله این است كه ممكن است زمان در بنیادی‌ترین سطح واقعیت فیزیكی وجود نداشته باشد. منظور روولی از «اشیای بزرگ» هر چیزی است كه بزرگ‌تر از ابعاد اسرارآمیز پلانك باشد. تا به حال هیچ نظریه فیزیكی‌ای به‌طور كامل جهان را در ابعادی كوچك‌تر از ابعاد پلانك، توصیف نكرده است.
یك امكان آن است كه اگر فیزیكدان‌ها بتوانند نظریه كوانتوم و نسبیت عام را وحدت بخشند، فضا و زمان توسط نسخه تغییریافته‌ای از مكانیك كوانتومی توصیف خواهد شد. در یك چنین نظریه‌ای، دیگر یكنواخت و پیوسته نخواهند بود بلكه شامل بخش‌هایی گسسته (كوانتا) هستند.
درست مانند نور كه از بسته‌های منفرد انرژی با نام فوتون تشكیل شده است. اینها آجرهای سازنده فضا و زمان هستند و تصور اینكه فضا و زمان از چیز دیگری ساخته شده باشد آسان نیست. مولفه‌های فضا و زمان جز در فضا و زمان در كجا می‌توانند وجود داشته باشند؟

[Hamed]

همانطور كه روولی توضیح می‌دهد، در مكانیك كوانتومی تمام ذرات ماده و همچنین انرژی را می‌توان به صورت موج توصیف كرد. موج نیز یك ویژگی غیرعادی دارد: تعداد نامحدودی از آن می‌تواند در یك مكان وجود داشته باشد. اگر روزی نشان داده شود كه زمان و مكان از كوانتا تشكیل یافته‌اند، تمام آنها می‌توانند در یك نقطه بدون بعد روی هم تلنبار شوند.
روولی می‌گوید: «به معنایی فضا و زمان در این تصویر ذوب می‌شوند. دیگر فضا وجود ندارد، تنها كوانتاهایی وجود دارند روی كوانتاهای دیگر بدون اینكه در فضا غرق شوند.»
روولی به همراه یكی از مهمترین ریاضیدانان دنیا یعنی آلن كونس از كالج فرانسه در پاریس روی این موضوع كار كرده است. آنها همراه هم چارچوبی را ارائه داده‌اند كه نشان می‌دهد، چگونه آنچه ما به عنوان زمان تجربه می‌كنیم ممكن است از یك واقعیت بی‌زمان و بنیادی‌تر ظهور یافته باشد.
همان‌گونه كه روولی توصیف می‌كند: «زمان احتمالا یك مفهوم تقریبی است كه در ابعاد بزرگ ظاهر می‌شود. كمی شبیه مفهوم سطح آب كه از لحاظ ماكروسكوپی معنا دارد اما در ابعاد اتمی معنای خود را از دست می‌دهد.»
روولی با فهمیدن اینكه توضیحاتش ممكن است راز زمان را عمیق‌تر كند، می‌گوید بیشتر دانش فعلی ما روزی گیج‌كننده به نظر می‌رسید. «من فهمیده‌ام كه این تصویر مشهودی نیست. اما این موضوع فیزیك بنیادی است: یافتن روش‌های جدید فكر كردن درباره جهان و دیدن اینكه آیا این روش‌ها كار می‌كنند یا نه. من فكر می‌كنم وقتی گالیله گفت زمین می‌چرخد، به همین شكل غیرقابل فهم بود.
فضا برای كوپرنیك شبیه فضا برای نیوتن نبود و فضا برای نیوتن مانند فضا برای اینشتین نبود. ما همیشه كمی بیشتر می‌آموزیم.» روولی احساس می‌كند كه یك انقلاب دیگر در مفهوم زمان به همین زودی اتفاق می‌افتد. «وقتی مقاله ۱۹۰۵ اینشتین منتشر شد، تفكر مردم درباره فضا-زمان را تغییر داد. ما دوباره در آستانه‌ واقعه‌ای شبیه آن هستیم.» وقتی گردوخاك‌ها فرو نشینند، زمان هرچه كه باشد می‌تواند حتی عجیب‌تر و وهم‌انگیزتر از چیزی باشد كه اینشتین می‌توانست تصور كند.

DiscoverMagazine, Jun. ۲۰۰۷
تیم فولگر
ترجمه: مریم جعفراقدمی