زمان چیست؟ چرا زمان رو به جلو می‌رود؟ آیا زمان واقعیت دارد؟
مفهوم زمان یکی از اسرارآمیزترین مفاهیم در تاریخ فیزیک بوده است و در حال حاضر نیز از مسائل دشوار فیزیک معاصر به‌شمار می‌رود. این مطلب آخرین مطالعات و نظریه‌های فیزیکی را درباره زمان معرفی و بررسی می‌کند.
هیچ‌کس بهتر از فرنس کرایوس حساب زمان در دستانش نیست. در آزمایشگاه او در موسسه ماکس پلانک واقع در کراچینگ آلمان که مرکزی مختص اپتیک کوانتومی است، دقیق‌ترین زمان‌سنجی تاریخ انجام شده است. به این معنا که کوچک‌ترین بازه‌های زمانی را که تاکنون مشاهده شده‌اند، اندازه‌گیری کرده‌اند.
کرایوس برای انجام این کار از پالس‌های لیزر فرابنفش استفاده کرده است تا حرکت‌های بسیار سریع و کوتاه الکترون‌های درون اتم را ردگیری کند. این پدیده‌ها که او به دنبال کاوش آنهاست، تنها حدود ??? آتوثانیه طول می‌کشند.
برای داشتن تصور بهتری از این بازه زمانی در نظر آورید که نسبت ??? آتوثانیه به یک ثانیه، مانند نسبت یک ثانیه به ??? میلیون سال است! حتی تصورش هم غیرممکن است، اما چنین بازه زمانی‌ای در طبیعت وجود دارد و حتی اندازه‌گیری هم شده است.
? کمترین واحد زمان
با این حال حتی کارهای کرایوس هم از کوچک‌ترین مقیاس زمانی بسیار فاصله دارد. یک محدوده زمانی به نام «ابعاد پلانک» وجود دارد که حتی آتوثانیه نیز در برابر آن مانند میلیون‌ها سال است.
این مقیاس مرز فیزیک شناخته‌شده را مشخص می‌کند؛ ناحیه‌ای که در آن فواصل و بازه‌های زمانی آنقدر کوتاه هستند که بسیاری از مفاهیم فضا و زمان شروع به فروپاشی ‌کنند.
زمان پلانک یعنی کوچک‌ترین واحد زمانی که معنای فیزیکی دارد، ?? به توان ??- ثانیه است. این مقدار کوچک‌تر از یک ‌تریلیونیم تریلیونیم آتوثانیه است. ماورای آن چیست، آیا زمانی کوچک‌تر از آن هم وجود دارد؟ این زمان ناشناخته است، حداقل برای امروز.
تلاش برای درک زمان‌هایی پایین‌تر از ابعاد پلانک، منجر به جهش‌های عجیبی در فیزیک شده است. به طور خلاصه مساله این است که آیا امکان دارد آن زمان (زمانی کوچک‌تر از زمان پلانک) در بنیادی‌ترین سطح واقعیت فیزیکی 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 فیزیک از دانشگاه آکسفورد در پاسخ به این نوع مسائل می‌گوید: «معنای زمان به طرز وحشتناکی برای فیزیک معاصر مساله‌ساز شده است. وضعیت آنقدر مشکل است که بهترین کاری که شخص می‌تواند انجام دهد، اعلام لاادری‌گری است. یعنی نداشتن هیچ موضع و ترجیحی نسبت به این مساله.»
مشکل زمان از یک قرن قبل آغاز شد، وقتی نظریه‌های نسبیت خاص و نسبیت عام اینشتین، تصور معمول از زمان را به عنوان یک ثابت جهانی درهم ریخت. یکی از پیامدهایش آن بود که گذشته، حال و‌ آینده مطلق نیستند. نظریه‌های اینشتین همچنین چالشی جدی در فیزیک به‌وجود آورد، زیرا قوانین نسبیت عام (که گرانش و ساختار بزرگ مقیاس جهان را توصیف می‌کند) با قوانین فیزیک کوانتومی (که بر جهان خرد حکومت می‌کند) ناسازگار به‌نظر می‌رسد.
حدود چهار دهه قبل دو فیزیکدان مشهور یعنی جان ویلر که در آن زمان در دانشگاه پرینستون بود و برایس دویت از دانشگاه کارولینای‌شمالی، معادله‌ای عجیب و خارق‌العاده ارائه دادند که چارچوبی ممکن برای سازگاری بخشیدن به نسبیت و مکانیک کوانتومی فراهم می‌کرد. اما معادله ویلر-دویت همواره مناقشه‌برانگیز بوده است، زیرا به سهم خودش پیچیدگی عجیب‌تری از فهم ما نسبت به زمان به نظریه نسبیت اضافه کرده است.
کارلو روولی، فیزیکدانی از دانشگاه مدیترانه‌ای مارسی در فرانسه می‌گوید: «زمان ناگهان از معادله ویلر-دویت ناپدید می‌شود و این موضوعی است که برای بسیاری از نظریه‌پردازان معما شده است.
شاید بهترین راه برای فکر کردن درباره واقعیت کوانتومی کنار گذاشتن زمان باشد. به این ترتیب توصیف بنیادی از جهان باید بی‌زمان باشد.»
تا به حال هیچ‌کس در استفاده از معادله ویلر-دویت برای یکی‌کردن نظریه کوانتوم و نسبیت عام موفق نشده است. با این حال اقلیت قابل‌توجهی از فیزیکدان‌ها شامل روولی معتقدند هر نظریه موفقی از تلفیق دو شاهکار فیزیک قرن بیستم نهایتا جهانی را توصیف خواهد کرد که در آن زمان به‌طور اجتناب‌ناپذیری وجود ندارد.
? جهت پیکان زمان
این مساله که زمان ممکن است وجود نداشته باشد در میان فیزیکدانان به نام «مساله زمان» شناخته می‌شود. این مساله ممکن 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 که قوانین فیزیک توضیح نمی‌دهند چرا زمان همواره رو به جلو می‌رود. تمام قوانین فیزیک – چه قوانین نیوتن و اینشتین یا حتی قوانین کوانتوم – با معکوس شدن جهت زمان به همین صورت کنونی باقی خواهند ماند تا جایی که ما می‌توانیم بگوییم، با اینکه زمان یک فرآیند یک‌سویه است و هرگز معکوس نمی‌شود، هیچ قانونی آن را محدود نمی‌کند. یعنی هیچ‌یک از قوانین فیزیک یک‌سویه بودن جهت زمان را تضمین نمی‌کنند.
ست‌لوید، یک متخصص مکانیک کوانتومی از دانشگاه MIT در پاسخ به این سوال که زمان چیست، می‌گوید: «این بسیار اسرارآمیز است که چرا ما یک‌ چنین پیکان زمان واضحی داریم. توضیح معمول برای این مساله آن است که برای مشخص کردن آنچه در یک سیستم اتفاق می‌افتد، شما نباید تنها قوانین فیزیکی حاکم بر آن سیستم را معین کنید، بلکه باید بعضی از شرایط اولیه و پایانی آن را نیز مشخص کنید.»
لوید می‌گوید مادر تمام شرایط اولیه، مهبانگ است. فیزیکدانان باور دارند که جهان به صورت یک توپ ساده و بسیار فشرده از انرژی آغاز شده است. به‌رغم اینکه قوانین فیزیک خود نمی‌توانند پیکان زمان را به‌وجود آورند، انبساط جهان که هنوز هم ادامه دارد این کار را انجام می‌دهد. همانطور که جهان منبسط می‌شود، پیچیده‌تر و بی‌نظم‌تر می‌شود.
افزایش بی‌نظمی (که فیزیکدان‌ها آن را افزایش آنتروپی می‌نامند) ناشی از انبساط جهان، ممکن است منشأ آن چیزی باشد که ما به عنوان رژه روبه‌جلو و بی‌وقفه زمان تصور می‌کنیم.از این دیدگاه، زمان چیزی نیست که جدا از جهان وجود داشته باشد.
خارج از کیهان هیچ تیک‌تاک ساعتی وجود ندارد. اکثر ما تمایل داریم به زمان آن‌گونه که نیوتن فکر می‌کرد، فکر کنیم: «زمان مطلق، درست و ریاضی به دلیل ماهیتش به طور یکنواخت و مستقل از هر چیز خارجی، جریان دارد.»
اما همانطور که اینشتین اثبات کرد، زمان قسمتی از بافت جهان است. برعکس آنچه که نیوتن باور داشت، ساعت‌های معمولی ما چیزی مستقل از جهان را اندازه نمی‌گیرند.
طبق گفته لوید، در واقع ساعت‌ها اصلا زمان را اندازه‌گیری نمی‌کنند. او می‌گوید: «اخیرا به موسسه ملی استاندارد و تکنولوژی در بولدر رفتم؛ یک آزمایشگاه دولتی که 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 نمی‌کنند! من فکر کردم این حرف از سر تواضع است. اما آنها گفتند: نه، تعریف زمان آن چیزی است که ساعت‌های ما اندازه‌گیری می‌کنند. این حرف کاملا درست است. آنها زمان استاندارد جهانی را تعریف می‌کنند. زمان با تعداد تیک‌های ساعت‌های آنها تعریف می‌شود.»
? زمان یعنی تیک‌تاک ساعت
روولی، مدافع جهان بدون زمان می‌گوید: زمان‌سنج‌های موسسه استاندارد، این کار را درست انجام می‌‌دهند. به‌علاوه نقطه‌نظر آنها با معادله ویلر-دویت سازگار است. «ما هیچ‌وقت زمان را نمی‌بینیم، ما تنها ساعت‌ها را مشاهده می‌کنیم.
اگر شما بگویید این جسم حرکت می‌کند، واقعا منظورتان آن است که جسم اینجاست وقتی عقربه ساعت شما اینجاست و به همین ترتیب مراحل حرکت جسم را می‌توانید توصیف کنید.
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 فیزیکی هستند. بنابراین به یک معنا ما تقلب می‌کنیم، زیرا آنچه واقعا مشاهده می‌کنیم متغیرهایی فیزیکی هستند به عنوان توابعی از متغیرهای فیزیکی دیگر، اما ما آن را طوری نمایش می‌دهیم که انگار همه چیز در زمان تغییر می‌کند.
آنچه درباره معادله ویلر-دویت پیش می‌آید آن است که ما مجبور به توقف این بازی می‌شویم. در عوض معرفی این متغیر ساختگی (یعنی زمان که خودش مشاهده‌پذیر نیست)، باید تنها توصیف کنیم که متغیرها چگونه به متغیرهای دیگر مرتبط هستند. سوال این است که آیا زمان یک ویژگی بنیادی واقعیت است یا تنها یک نمایش ماکروسکوپی از چیزهاست؟
من آن را تنها یک اثر ماکروسکوپی می‌دانم؛ چیزی که تنها برای اشیای بزرگ ظهور می‌یابد.» به‌طور خلاصه مساله این است که ممکن است زمان در بنیادی‌ترین سطح واقعیت فیزیکی وجود نداشته باشد. منظور روولی از «اشیای بزرگ» هر چیزی است که بزرگ‌تر از ابعاد اسرارآمیز پلانک باشد. تا به حال هیچ نظریه فیزیکی‌ای به‌طور کامل جهان را در ابعادی کوچک‌تر از ابعاد پلانک، توصیف نکرده است.
یک امکان آن است که اگر فیزیکدان‌ها بتوانند نظریه کوانتوم و نسبیت عام را وحدت بخشند، فضا و زمان توسط نسخه تغییریافته‌ای از مکانیک کوانتومی توصیف خواهد شد. در یک چنین نظریه‌ای، دیگر یکنواخت و پیوسته نخواهند بود بلکه شامل بخش‌هایی گسسته (کوانتا) هستند.
درست مانند نور که از بسته‌های منفرد انرژی با نام فوتون تشکیل شده است. اینها آجرهای سازنده فضا و زمان هستند و تصور اینکه فضا و زمان از چیز دیگری ساخته شده باشد آسان نیست. مولفه‌های فضا و زمان جز در فضا و زمان در کجا می‌توانند وجود داشته باشند؟
? کوانتای فضا و زمان
همانطور که روولی توضیح می‌دهد، در مکانیک کوانتومی تمام ذرات ماده و همچنین انرژی را می‌توان به صورت موج توصیف کرد. موج نیز یک ویژگی غیرعادی دارد: تعداد نامحدودی از آن می‌تواند در یک مکان وجود داشته باشد. اگر روزی نشان داده شود که زمان و مکان از کوانتا تشکیل یافته‌اند، تمام آنها می‌توانند در یک نقطه بدون بعد روی هم تلنبار شوند.
روولی می‌گوید: «به معنایی فضا و زمان در این تصویر ذوب می‌شوند. دیگر فضا وجود ندارد، تنها کوانتاهایی وجود دارند روی کوانتاهای دیگر بدون اینکه در فضا غرق شوند.»
روولی به همراه یکی از مهمترین ریاضیدانان دنیا یعنی آلن کونس از کالج فرانسه در پاریس روی این موضوع کار کرده است. آنها همراه هم چارچوبی را ارائه داده‌اند که نشان می‌دهد، چگونه آنچه ما به عنوان زمان تجربه می‌کنیم ممکن است از یک واقعیت بی‌زمان و بنیادی‌تر ظهور یافته باشد.
همان‌گونه که روولی توصیف می‌کند: «زمان احتمالا یک مفهوم تقریبی است که در ابعاد بزرگ ظاهر می‌شود. کمی شبیه مفهوم سطح آب که از لحاظ ماکروسکوپی معنا دارد اما در ابعاد اتمی معنای خود را از دست می‌دهد.»
روولی با فهمیدن اینکه توضیحاتش ممکن است راز زمان را عمیق‌تر کند، می‌گوید بیشتر دانش فعلی ما روزی گیج‌کننده به نظر می‌رسید. «من فهمیده‌ام که این تصویر مشهودی نیست. اما این موضوع فیزیک بنیادی است: یافتن روش‌های جدید فکر کردن درباره جهان و دیدن اینکه آیا این روش‌ها کار می‌کنند یا نه. من فکر می‌کنم وقتی گالیله گفت زمین می‌چرخد، به همین شکل غیرقابل فهم بود.
فضا برای کوپرنیک شبیه فضا برای نیوتن نبود و فضا برای نیوتن مانند فضا برای اینشتین نبود. ما همیشه کمی بیشتر می‌آموزیم.» روولی احساس می‌کند که یک انقلاب دیگر در مفهوم زمان به همین زودی اتفاق می‌افتد. «وقتی مقاله ???? اینشتین منتشر شد، تفکر مردم درباره فضا-زمان را تغییر داد. ما دوباره در آستانه‌ واقعه‌ای شبیه آن هستیم.» وقتی گردوخاک‌ها فرو نشینند، زمان هرچه که باشد می‌تواند حتی عجیب‌تر و وهم‌انگیزتر از چیزی باشد که اینشتین می‌توانست تصور کند.

DiscoverMagazine, Jun. ????
تیم فولگر
ترجمه: مریم جعفراقدمی