چرا زمان به عقب بر نمی‌گردد

رای کامینز در سال 1922 و در داستان علمی ـ تخیلی خود به‌نام دختری در اتم طلایی می‌نویسد: زمان موضوعی است که در یک لحظه مانع از وقوع هر چیزی می‌شود.

این تعریف به شکلی کاملا زیبا عملکرد زمان را در یک جمله خلاصه می کند. اما چگونه زمان از وقوع همه چیز در یک لحظه جلوگیری می کند؟ چه فرآیندی زمان را به جلو می برد و از عقب برگشتن آن جلوگیری می کند؟ در مطالعه جدیدی که در نشریه Physical Review Letters به چاپ رسیده، گروهی از فیزیکدانان نظری مجددا مفهوم پیکان زمان را بررسی کرده اند. این مفهوم آهنگ رو به جلو و بی رحم زمان را بیان می کند. همچنین در این تحقیق شیوه ای متفاوت از چگونگی بیان زمان در مقیاس جهانی مطرح شده است.

معمولا زمان توسط فرضیه گذشته شرح داده می شود. این فرضیه بیان می کند که هر سیستم معین در یک حالت آنتروپی پایین شروع و توسط نیروی ترمودینامیک به جلو رانده شده و آنتروپی آن افزایش می یابد. آنتروپی اندازه ای برای بیان درجه بی نظمی در هر سیستم است. هر چه درجه بی نظمی بالاتر باشد، آنتروپی سیستم بیشتر است. از این رو فیزیکدانان برای یک ماده معین در حالت تعادل درونی کامل می گویند که آنتروپی حالت گازی بیشتر از آنتروپی حالت مایع است و آنتروپی حالت مایع در آن بیشتر از آنتروپی حالت جامد است.

واحد آنتروپی در دستگاه SI، ژول برکلوین است. فیزیکدانان می گویند هرجا مقدار آنتروپی افزایش داشته باشد، نشان می دهد که پیکان زمان به سمت آینده است. به طور خلاصه می توان گفت که گذشته آنتروپی پایین و آینده آنتروپی بالایی دارد؛ مفهومی که به عدم تقارن ترمودینامیکی زمان مشهور است.

در تجارب روزمره نیز می توانیم مثال های زیادی از افزایش آنتروپی نظیر پر شدن یک اتاق از گاز یا ذوب شدن یک مکعب یخی پیدا کنیم. در این مثال شاهد افزایش برگشت ناپذیر آنتروپی هستیم.

اگر این مثال را در مقیاس جهانی اعمال کنیم، می توان فرض کرد که مهبانگ (Big Bang) جهان را در حالت آنتروپی پایینی به وجود آورد. طی قرون و اعصار متمادی که جهان گسترش یافت و سرد شد، آنتروپی این سیستم بسیار بزرگ بیشتر شد. بنابراین همان طور که فرضیه بالا می گوید زمان هم به طور ذاتی با میزان آنتروپی در جهان ما مرتبط شده است. اما این ایده با چندین اشکال مواجه است.

تنها لحظاتی پس از مهبانگ تعدادی از شواهد عینی به یک محیط انفجار بزرگ که شبیه ظرفی داغ و بسیار بی نظم از ذرات کهن بوده، اشاره دارد. همچنان که جهان تکامل یافت و سرد شد، جاذبه غلبه یافت و باعث شد جهان نظم یافته تر و پیچیده تر شود و از ابرهای خنک کننده گازی، ستارگان شکل گرفته و سیاره ها از فروپاشی گرانشی به وجود آمدند. سرانجام شیمی آلی به وجود آمد تا انسان نوظهور بتواند فلسفه های مختلفی درباره فضا و زمان ارائه کند. بنابراین در مقیاس جهانی و برخلاف فرضیه گذشته که می گفت بی نظمی افزایش می یابد، اختلال و بی نظمی به طور موثر کاهش یافت.

از آنجا که آنتروپی یک کمیت فیزیکی با ابعادی نظیر انرژی و درجه حرارت است، برای اندازه گرفتن آنها نیاز به یک چارچوب مرجع خارجی است. بنابراین کل جهان را نمی توان با آنتروپی سنجید؛ زیرا هیچ مرجع خارجی دیگری برای این اندازه گیری وجود ندارد. پس آنتروپی نمی تواند علت حرکت رو به جلوی زمان باشد. حال اگر آنتروپی دلیل حرکت رو به جلوی زمان نیست، پس چه چیزی می تواند علت آن باشد.

پیچیدگی کمیتی بدون بعد است که در ساده ترین شکل میزان پیچیدگی یک سیستم را شرح می دهد. اگر به جهان نگاه کنیم، خواهیم دید پیچیدگی به طور مستقیم با زمان مرتبط است. همان طور که زمان به جلو می رود ساختار جهان نیز پیچیده تر می شود.

محققان به دنبال جواب این سوال بودند که در وهله اول چه چیزی باعث برقراری چنین سیستم هایی در یک حالت آنتروپی پایین می شود. جواب این سوال نیروی جاذبه است. برای آزمایش این ایده مرکاتی و همکارانش در انستیتو PI یک مدل کامپیوتری عمومی برای شبیه سازی ذرات در ماکتی از جهان ساختند. آنها دریافتند که فارغ از میزان اجرای این شبیه سازی، همواره پیچیدگی جهان افزایش می یابد و هرگز کاهش نیافته است.

از زمان انفجار بزرگ جهان از پایین ترین سطح پیچیدگی شروع و به طور اجتناب ناپذیری پیچیده تر شد و گرانش عامل محرکه این افزایش پیچیدگی بود.

همان طور که جهان بالغ تر می شد، زیر سیستم ها به اندازه کافی جدا شدند، به گونه ای که دیگر نیروها شرایطی را فراهم کردند تا پیکان زمان در زیر سیستم هایی با آنتروپی پایین مسلط شود. در مقیاس جهانی، درک ما از زمان ناشی از رشد مداوم پیچیدگی است. اما در این زیر سیستم ها آنتروپی مفهوم غالب درک زمان است.

مرکاتی می گوید: جهان ساختاری است که پیچیدگی آن در حال رشد است. جهان از کهکشان های بزرگی تشکیل شده که به وسیله فضای تهی بسیار بزرگ از هم جدا شده اند. در گذشته های دور آنها بیشتر در کنار هم بوده اند و حدس ما بر این است که درک ما از زمان نتیجه یک قانون است که تعیین کننده رشد غیرقابل برگشت پیچیدگی است. رصدهای کیهانی، شواهد عینی و تجربی برای این موضوع را فراهم خواهد کرد.

Live science / مترجم: آتنا حسن آبادی

نقل از جام جم آنلاین

عطف به عتف - نگاهی به پژوهش و ISI در ایران

امید عمومی - نامه به ریاست جمهوری

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات