زمان‌گرمایی : آیا زمان یک توهم است؟

مقدمه: مجله New Scientist هم مقالاتِ فیزیکِ جالبی دارد، مقالاتی که به طورِ غیرِ تخصصی و برای عمومِ مردم نوشته شده است. در میانِ مطالبش اکثرِ اوقات می‌توانی موردِ مطلوبت را بیابی و البته همیشه هم در مجلّه‌‌ای مثل دانشمند، ترجمه شده‌اش را بخوانی. یکی از مطالبی که توجّه مرا جلب کرده‌بود، مقاله " ?Is time an illusion " به قلمِ " Amanda Gefter " بود که ترجمه‌ی فارسیِ آن در شهریورماهِ سالِ پیش در مجله‌ی دانشمند منتشر شده‌‌بود. مطلبی که در ادامه می‌خوانید را با استفاده از همین مقاله و اطلاعاتِ قبلیِ خودم نوشته‌ام و در پایان نیز با اظهارِنظرم این مقاله را موردِ عنایت قرار داده‌ام! البته این مطلب را قبلا نوشته‌بودم که در جریانِ شُخم‌زنیِ کامپیوترم دوباره آن را یافتم و ویرایشش کردم و برای ارسال، آماده‌اش.

---
آیا زمان به راستی وجود دارد؟ زمان شاید به راستی از معدود مواردی باشد که ذهنِ بشر قادر به درک و فهم و هضمِ مفهوم آن نمی‌باشد. از تمامی فلاسفه گرفته تا فیزیک‌دانانِ امروزی، هیچ کدام یک تعریفِ جامع و دقیق از چیستیِ زمان ارائه نداده‌اند. اما چرا چنین است ؟! آیا مشکل از ذهنِ ماست یا اینکه اصلا چیزی به نامِ زمان، وجود خارجی ندارد و همین هم علّتی است برای نفهمیدنِ ما؟ مسئله‌یِ فهمِ زمان چیزی بیشتر از یک دانستنِ مفهومی رازآمیز برایمان می‌تواند مفید واقع شود، برای رسیدن به " نظریه همه چیز" و تلفیق مکانیک کوانتومی که در ابعادِ بسیار کوچک جهان حکمرانی می‌کند با نسبیّت عامِ انیشتین که در بزرگترین اندازه‌‌ها فرمان می‌راند، لازم است تکلیفِ زمان مشخص گردد. اگر زمانی وجود نداشته باشد، آنگاه فرآیند رسیدن به این نظریه می‌تواند بسیار تسهیل یابد.
بر اساسِ نسبیتِ عامِ انیشتین - که بررسی معادلات و روابطِ تانسوری و پیچیده‌ی آن در حوصله‌ی این نوشتار نمی‌گنجد - زمان با مکان ارتباطِ تنگاتنگی دارد. زمان در نسبیتِ عام مطلق نبوده و در هر چهارچوب مرجع، نسبت به چهارچوبِ مرجعِ دیگر متفاوت است و هیچ امکان ندارد که بتوانیم ساعتی داشته باشیم که با آن، زمانِ جهان را بسنجیم. نسبیتِ عام معیاری مناسب است برای تعیین توالی رویدادها، اما همانطور که قبلا اشاره شد، به هیچ عنوان مطلق نیست.
اما در مکانیک کوانتومی این موضوع کاملا متفاوت است. در مکانیک کوانتومی، زمان نقشی کلیدی دارد و به عنوان مقیاس از آن استفاده می‌شود. تفاوت بزرگِ مکانیکِ کوانتومی با نسبیتِ عام در مطلق نبودنِ زمان است، به عبارت دیگر، هنگامی که زمان در تابع موجِ یک سیستم - که به زبانِ ساده و ناقص می‌توان آن‌را حالاتِ ممکنِ آن سیستم در فضا معرفی کرد - وارد می‌گردد، بستگی به آن چهارچوب نداشته و مطلق است. زمانی که نسبیتِ عامِ انیشتین وجودش را رد می‌کند و زمان و مکان را یک ساختار واحد در نظر می‌گیرد، مکانیک کوانتومی آن‌دو را به دو بخشِ جدا تقسیم می‌کند.

 از این تفاوت‌ها و مسائلِ دیگر نتیجه می‌شود که زمان، نباید در نظریه‌ی همه چیز شرکت داشته باشد، همانطور که Julian Barbour نتیجه گرفت. اما چگونه می‌توان نشان داد که زمان وجود ندارد؟
اخیرا Carlo Rovelli ، فیزیک‌دانِ دانشگاه مارسی در فرانسه چنین راهی را، ظاهرا، پیدا کرده‌است. سالِ گذشته او و همکارانش روشی را بسط دادند که به کمکِ آن می‌توان رویدادهای کوانتومی متوالی را در قالب یک رویداد واحد و بدون نیاز به استفاده از زمان، بیان کرد. ایده روولی چنین است:

الکترونی با اسپین مشخص در نظر بگیرید. فرض کنید می‌خواهیم اسپین این الکترون را به طور پی در پی، یک‌بار در امتداد x ها و بار دیگر در امتداد y ها اندازه‌گیری کنیم. احتمالِ حصول هر یک از نتایجِ محتمل در این اندازه‌گیری‌هایِ پیاپی، به نحوه توالی اندازه‌گیری‌های صورت گرفته وابسته خواهدبود. علت این امر آن است که هر اندازه‌گیری سبب خواهدشد که تابع موج از حالتِ نامشخصِ خود فروپاشیده و در یک حالتِ معین، قرارگیرد. بنابراین، اولین نتیجه اندازه‌گیری عملا حالتِ سیستم را تغییر خواهد داد و همین امر بر نتیجه گیری اندازه‌گیری دوم تاثیر خواهد گذاشت.
فرض کنید که از قبل می‌دانیم اسپین الکترونِ مزبور در امتداد x ها 1/2+ است. بنابراین اگر اسپین الکترون را ابتدا در امتداد x ها و سپس y ها اندازه‌گیری کنیم، احتمالِ 1/2+ بودنِ اسپین در اندازه‌گیریِ اول همانطور که انتظار می‌رود، 100 درصد و در اندازه‌گیری دوم 50 درصد خواهدبود. اما چنان‌چه اول اسپین را در امتداد y ها اندازه بگیریم، از آنجایی که این اندازه‌گیری، حالت اسپین الکترون در امتداد x ها را تغییر می‌دهد، در نتیجه این‌بار، مقدار حاصل از هر دو اندازه‌گیری 50 درصد خواهدبود.
---
توضیح : اسپینِ یک ذره - s - به زبانِ ساده یعنی به حرکتِ ذره به‌دورِ محورِ فرضی‌اش که اعداد نیمه صحیح را شامل می‌شود، که در موردِ الکترون 1/2 است و Ms آن بازه‌ی بسته‌ی منفی s تا مثبتِ s که یعنی 1/2+ و 1/2- ( صفر نمی‌تواند باشد، چون الکترون فرمیون است و اسپینش می‌بایستی صحیح نباشد. )، اسپین ها را در جهت x و y و z اندازه‌گیری می‌کنند. البته برای بیانِ اسپین یک ذره، معمولا آن را در جهتِ z و به صورتِ مضربی از h/2p بیان می‌کنند.

سوالِ اساسی اینجاست که چگونه نحوه توالی اندازه‌گیری‌ها در زمان، می‌تواند بر احتمالات حاصل از آن‌ها اثر بگذارد، پس چگونه می‌توان احتمالِ وقوعِ زنجیره‌ای از رویدادها را بدون در نظر گرفتنِ زمان محاسبه کرد؟ پاسخِ روولی چنین است که تا پیش از این، دستگاه‌های اندازه‌گیری در جهانِ کلاسیکِ بیرونی قرار می‌گرفتند، اما اگرهر دستگاه را کوانتومی در نظر بگیریم، می‌توانیم به جای آن‌که بپرسیم :" احتمال آن‌که الکترون ابتدا اسپینش 1/2 + و سپس 1/2 - داشته باشد چقدر است؟" ، بپرسیم:" احتمالِ آن‌که ابزارهای اندازه‌گیری در فلان حالتِ کوانتومی قرار داشته باشند، چقدر است؟" در این صورت، دیگر به کارگیری ابزارهای اندازه‌گیریصرفا موجب فروپاشی تابعِ موجِ الکترون نخواهند شد؛ چرا که اینک کل مجموعه‌ی الکترون و ابزارهای اندازه‌گیری‌ همگی توسط یک تابع موجِ واحد توصیف می‌شوند. بدین ترتیب، توالی زمانیِ اندازه‌گیری‌ها عملا به یک اندازه‌گیری واحد که توصیف آن نیازی به زمان ندارد، تبدیل خواهدشد.

پس اینجا زمان کجا رفت ؟ روولی می‌گوید زمان یک توهم است [ ! ] او اکنون بیش از یک دهه است با همکارانش در این زمینه کار می‌کند که فرضیه‌شان نهایتا زمان‌گرمایی نام گرفت. در حقیقت زمان، ماحصلِ رفتاری آماری از جهان اس، دقیقا همانطور که دما، ماحصلِ رفتاری آماری توده‌ی عظیمی از مولکول‌هاست.
برای فهم بهتر این مسئله، توده‌ای از یک گاز را در یک محفظه بسته درنظر بگیرید. برای توصیف رفتار این گاز، دو راهِ مختلف وجود دارد. یک راه، این است که تمامی اطلاعاتِ مربوط به مکان و اندازه‌‌حرکت تک‌تکِ مولکول‌های گاز را به‌طورِ مستمر زیرِ نظر داشته‌باشیم که در این رویکرد، مفهومی به نام دما اصلا وجود ندارد؛ بلکه به جایِ آن با تغییر مستمر مولکول‌ها مواجه‌ایم. اما از آنجا که زیر نظر گرفتنِ تمامی این اطلاعات به لحاظ عملی غیرِ ممکن است - هرچند که اصولا ممکن است! - بنابراین به‌جای آن می‌توان از متوسط آماری رفتار مولکول‌ها برای توصیفِ رفتارِ ماکروسکوپیکِ ( بزرگ مقیاس ) کلِ گازِ محتویِ ظرف بهره گرفت. در این روش، تمامیِ اطلاعاتِ مربوط به اندازه‌حرکت همه مولکول‌های گاز را در قالبِ کمیت متوسط آماری به نام "دما" فشرده می‌کنیم. روولی و همکارانش هم دقیقا همین عقیده را در بابِ زمان دارند. منتهی اجزای بسیار بزرگتری باید در نظر گرفته شوند، تا یک مشت مولکولِ گاز در محفظه‌ی بسته! پس به قولِ روولی :

... بنابراین حقیقتِ جهان، فاقد گذشتِ زمان است؛ اما شناختِ ناکاملِ ما از حقیقت است که مفهومِ زمان را شکل می‌دهد. زمان از جهلِ ماست که شکل می‌گیرد.

 ---
یک سوال :  نمی‌دانم شما هم مثل من به یادِ فلسفه‌ی تغییرناپذیریِ پارمیندس، فیلسوفِ یونانی، افتاده‌اید یا نه؟! منظور من این است که اگر برای زمان، به دور از تمامِ این تفاسیرِ پیچیده، همان تعریف دست و پاشکسته و تقریبا غلطِ " زمان به فاصله‌ی میان دو نقطه از تغییراتِ یک جسم می‌گویند " باشد که در فیزیکِ کلاسیک هم تقریبا همین دیدگاه معتبر است. پس این مسئله‌ی انبساط و انقباضِ جهان چه‌ می‌شود؟ آیا جهان هم بزرگتر نمی‌شود ؟ برای این‌که دیدگاهِ روولی را معتبر بدانیم، باید حتما جهانِ دیگری موجود باشد که به موازاتِ جهانِ ما کوچک‌تر شود تا این " ابرجهان " ، به طور کلی، تغییرناپذیر باشد!

---
پی‌نوشتِ یک: چه‌قدر این مطلب، طولانی شد!! این مطلب اگر خوانده‌ نشود هم برایم مهم نیست [ نگفتم که نخوانید! ]، بلکه برای این پستش کرده‌بودم تا نبودِ مطالبِ فیزیکی را در این مدت جبران کرده‌باشم.
پی‌نوشتِ دو: اگر جایی از ما سوتی دیدید، ضایعمان نکنید! به خودم بگویید، می‌دانم چه‌کارش کنم. [ نیشخند ]