آیا زمان یک واقعیت بنیادین در جهان است یا تنها از هندسه فضا پدید میآید؟ پژوهشی تازه در فیزیک نظری این پرسش قدیمی را دوباره به مرکز توجه آورده است. بر اساس این ایده، ممکن است با انبساط کیهان، خود مفهوم زمان نیز دستخوش تغییر شود.
یک پژوهش جدید پیشنهاد میکند که زمان، فقط در مناطقی از عالم وجود دارد که فضا در آنها به قدر کافی خمیده است. بر اساس این ایده، عالم در حال انبساط ما بهتدریج در حال از دست دادن قابلیت خود برای حفظ مفهوم زمان است.
«جریان زمان تحت کنترل ما نیست. ما نمیتوانیم آن را متوقف کنیم؛ نمیتوانیم آن را به عقب بازگردانیم؛ انگار که درمانده و مستاصل همراه آن برده میشویم، مانند تکهای چوب که جریان یک رودخانه با خود حمل میکند.»
به نقل از دویچه وله، این تعبیری است که هانس رایشنباخ، در کتاب "جهت زمان" درباره سرشت زمان به کار میبرد. قرنها پیش، آگوستین، فیلسوف قرن پنجم نوشته بود: «زمان چیست؟ اگر کسی از من نپرسد، میدانم؛ اما اگر بخواهم آن را برای کسی که میپرسد توضیح دهم، نمیدانم.»
واقعیت این است که انسان در قرن بیستویکم نیز در پاسخ به این پرسش که زمان چیست، پاسخی بهتر از آگوستین در اختیار ندارد.
ایده جالبی که اخیر در مقاله جدید فرناندس د فریتاس از دانشگاه فدرال ایتاجوبا برزیل در مجله "گرانش کلاسیک و کوانتومی" (CQG)، منتشر شده استدلال میکند که پدیده زمان ممکن است ذاتا به هندسه خود فضا وابسته باشد.
او در این مقاله، نوعی "ساعت هندسی" معرفی میکند. به عبارت دیگر، سازهای ریاضی که از ویژگیهای خمیدگی برشهای سهبعدی فضا به دست میآید. از نگاه او، همین سازه است که تعیین میکند آیا زمان میتواند بهعنوان یک پارامتر معنادار برای نظمدهی رویدادها عمل کند یا نه.
به گفته او، هنگامی که فضا بهشدت خمیده است، مانند شرایط گیتی پس از مهبانگ، این ساعت، پایدار بوده و عالم همانگونه که مدل استاندارد فیزیک پیشبینی میکند تحول یافته است. اما با انبساط عالم و تختتر شدن آن، خمیدگی گیتی ضعیفتر میشود و ساعت هندسی مذکور نیز همراه با آن کند میشود؛ به این معنا که خود زمان، بهتدریج معنای خود را از دست میدهد.
زمان؛ مفهومی زاییده تغییرات هندسه فضا
#پرسش درباره ماهیت زمان از قدیمیترین پرسشهای تاریخ بشر است. در دوران باستان و دوران جدید، فیلسوفان و دانشمندان علوم طبیعی متعددی همچون افلاطون، ارسطو، آگوستین، گالیله، نیوتن، لایبنیتس، کانت، هایدگر، برگسون، اینشتین و رایشنباخ با این حوزه دشوار و دسترسناپذیر فلسفه درگیر شدهاند و جنبههای گوناگون این موضوع گسترده را روشن ساختهاند.
برای درک بهتر این مقاله جدید، با فرناندس د فریتاس گفتوگو کردیم که ماهیت زمان را نه با رویکرد فلسفی بلکه از منظر مفاهیم گرانش کوانتومی تحلیل کرده است. او به دویچه وله فارسی میگوید آنچه که ما زمان مینامیم، ممکن است صرفا در شرایطی پدیدار شود که هندسه فضا به اندازه کافی سازمانیافته باشد تا بتواند رویدادها را مرتب کند. به گفته او، هنگامی که این نظم هندسی ضعیف یا تباهیده شود، مفهوم آشنای قبل و بعد یک پدیده، یعنی تقدم و تاخر، ممکن است معنای فیزیکی خود را از دست بدهد.
به گفته او، زمان تنها در شرایطی پدیدار میشود که هندسه، این امکان را فراهم کند. از نگاه او، زمان نه یک چیز است، نه یک جوهر جهانی و نه یک ساعت کیهانی بیرونی. او در پاسخ به این پرسش که آیا به لحاظ نظری، ممکن است حتی اکنون نیز مناطقی در عالم وجود داشته باشند که مفهوم زمان در آنها بیمعنا یا غیرقابلکاربرد شود میگوید: «پاسخ محتاطانه این است: بله، به لحاظ نظری، اما نه به این معنا که ساعتهای معمولی ناگهان از کار بیفتند. در محیط روزمره ما و تقریبا در تمام قلمروهای رفتاری فیزیکی که معمولا مشاهده میکنیم، زمان یک مفهوم بسیار کارآمد است. ساعتها کار میکنند، سیارهها به دور ستارگان میگردند، نور منتشر میشود، انسانها پیر میشوند و رویدادها قابل مرتبسازی هستند. پیشنهاد من هیچیک از این موارد را انکار نمیکند.»
د فریتاس میافزاید: «من نمیگویم که زمان به معنای روزمره آن، ناپدید میشود، بلکه میگویم زمان ممکن است در برخی رژیمهای هندسی یا گرانش کوانتومی، دیگر یک پارامتر نظمدهی یکپارچه و معنادار نباشد.»
مسئله زمان در گرانش کوانتومی، یکی از عمیقترین مسائل حلنشده در فیزیک مدرن است. در مکانیک کوانتومی معمولی، زمان معمولا بهعنوان چیزی بیرونی در نظر گرفته میشود. پارامتری زمینهای، که سامانههای فیزیکی نسبت به آن تحول پیدا میکنند. اما در نسبیت عام، زمان بیرونی نیست. زمان بخشی از هندسه پویای خود فضا-زمان است.
زمان به مثابه ابزاری برای نظمدهی به رویدادها
#د فریتاس با بیان این که در برخی رژیمهای هندسی، زمان ممکن است دیگر یک پارامتر نظمدهی معنادار نباشد میافزاید: «تصور کنید با فرزند چهار سالهام در خیابان راه میروم. از او میپرسم: زمان چیست؟ میتوانی با انگشتت نشان بدهی که زمان را کجا میبینی؟ ممکن است به یک ساعت در یک فروشگاه اشاره کند. سپس ممکن است به افرادی که راه میروند، خودروهایی که عبور میکنند، رودخانهای که جاری است، ابرهایی که حرکت میکنند یا چراغهایی که تغییر میکنند اشاره کند. در هر یک از این موارد، او در واقع به خود زمان اشاره نمیکند. او به تغییر اشاره میکند. او به رویدادهایی اشاره میکند که میتوان آنها را مرتب کرد: قبل و بعد، زودتر و دیرتر.»
او میافزاید: «اکنون وضعیتی افراطیتر را تصور کنید. فرض کنید بهعنوان ناظران بیرونی ایدهآل در یک آزمایش ذهنی، تقریبا همه چیز را از عالم حذف کنیم و تنها خورشید و زمین را باقی بگذاریم. اگر دوباره بپرسم زمان کجاست؟، ممکن است فرزندم به حرکت زمین به دور خورشید اشاره کند. هنوز تغییر، حرکت و نظم روشنی از رویدادها وجود دارد. اگر زمین را حذف کنیم و تنها خورشید را باقی بگذاریم، ممکن است او به خود خورشید اشاره کند: به تابش آن، فرایندهای فیزیکی درونی آن و فعالیتهای شدیدی که همچنان توالیای از رویدادهای فیزیکی را در اختیار ما قرار میدهند.»
د فریتاس این استدلال را ادامه میدهد و میگوید: «اگر سپس خورشید را نیز حذف کنیم، چیزی عمیقتر در این آزمایش ذهنی باقی میماند: ساختاری هندسیکه با خورشید مرتبط بوده است. آخرین چیزی که هنوز قادر است ایده قبل و بعد را سازماندهی کند، دیگر یک جسم معمولی نیست، بلکه خود هندسه فضا است. در کار من، این نکته اساسی است: زمان با یک ساعت، یا صرفا با حرکت، یکسان در نظر گرفته نمیشود، بلکه با توانایی هندسه برای پشتیبانی از نظمدهی رویدادهای فیزیکی تعریف میشود.»
تفاوت ساعت هندسی عالم اولیه با ساعت هندسی عالم تخت امروزی
#اما اگر این مراحل را همچنان ادامه دهیم و اگر این ساختار هندسی پایدار نیز محو شود چه پیش خواهد آمد؟ د فریتاس در پاسخ به این پرسش میگوید: «اگر به جایی برسیم که در آن، هندسه، بیش از حد ضعیف، بیش از حد تباهیده یا بیش از حد کوانتومی شده باشد تا بتواند یک نظم مشخص را فراهم کند، در این صورت اگر از فرزندم بپرسم زمان کجاست، او دیگر نمیتواند به یک ساختار روشن اشاره کند. ممکن است به همه جا و هیچ جا اشاره کند. در این حالت، مفهوم زمان معنای فیزیکی معمول خود را از دست داده است.»
به گفته او یک مولکول منفرد آب در معنای معمول ترمودینامیکی، دما ندارد. دما زمانی پدیدار میشود که تعداد زیادی مولکول را با هم در نظر بگیریم. دما یک ویژگی آماری و ماکروسکوپی است که حالت جمعی یک سامانه را توصیف میکند. یک مولکول ممکن است انرژی جنبشی داشته باشد، اما دما در معنای ماکروسکوپی معمول به مجموعه مولکولها تعلق دارد، نه به یک مولکول منفرد.
د فریتاس میگوید: «فکر میکنم زمان را نیز میتوان در گرانش کوانتومی تا حدی به شکلی مشابه درک کرد. این به آن معنا نیست که زمان یک توهم است. دما نیز توهم نیست. دما واقعی، قابل اندازهگیری و در رژیمی که این مفهوم در آن کاربرد دارد بسیار مفید است. اما دما ویژگی یک مولکول منفرد نیست. به همین ترتیب، زمان میتواند در عالم ماکروسکوپی واقعی و بسیار کارآمد باشد، در حالی که در عمیقترین سطح هندسه کوانتومی یک جزء بنیادی نباشد.»
او با اشاره به این که زمان، "از توانایی هندسه برای فراهم کردن نظم میان پیکربندیهای فیزیکی پدیدار میشود" میگوید: «این موضوع همچنین راهی محتاطانه برای اندیشیدن به برخی معماهای نجومی عالم اولیه پیشنهاد میکند. تلسکوپ فضایی جیمز وب کهکشانهایی را آشکار کرده است که در مراحل بسیار ابتدایی تاریخ کیهانی بهطور شگفتآوری درخشان، پرجرم و ساختاریافته هستند.»
د فریتاس میگوید: «اگر زمان، پدیداری باشد و به رژیم هندسی وابسته باشد، در آن صورت، ساعت عالم در ابتدای پیدایش آن، لزوما از نظر مفهومی، با ساعتی که امروز در کیهانی بسیار سردتر، پیرتر، منبسطتر و با خمیدگی ضعیفتر بهکار میبریم یکسان نبوده است.»
او میگوید ممکن است ما در حال استفاده از خطکش زمانی برای توصیف ساختاری باشیم که در آن، هندسه به شکلی متفاوت، از زمان پشتیبانی میکرده است. او با بیان این که "شاید بخشی از شتاب ظاهری عالم آغازین، ناشی از استفاده از خطکش زمانی نامناسب باشد" میگوید: «ممکن است عالم آغازین، با همان ساعت هندسی مؤثری کار نمیکرده است که اکنون، برای توصیف عالم متاخر و تقریبا تخت امروزی بهکار میبریم.»
ایده شگفتانگیز د فریتاس درباره سرشت زمان، در عین حال که به درک بهتر مفهوم زمان به لحاظ فیزیکی کمک میکند اما همزمان، بر پیچیدگی این پرسش میافزاید که اساسا، زمان چیست و دقیقا چه چیزی است که میگذرد. شاید حق با جان ویلر (John A. Wheeler)، فیزیکدان مشهور باشد که جایی گفته بود: «زمان، شیوه طبیعت است برای این که نگذارد همه چیز یکباره رخ دهد.»
