آیا زمان یک توهم است؟ تازه‌ترین روایت دانشمندان از معمای بزرگ کیهان

زمان یکی از عمیق‌ترین و ماندگارترین معماها در تاریخ فیزیک است؛ معمایی که هنوز هیچ اجماعی درباره آن شکل نگرفته است. از نگاه ما، زمان ساختاری پیوسته و آرام دارد و با هر تیک ساعت، بی‌وقفه رو به آینده حرکت می‌کند.

اما وقتی دقیق‌تر نگاه می‌کنیم، زمان به پدیده‌ای بسیار عجیب و پیچیده تبدیل می‌شود؛ از معادلاتی که می‌گویند زمان باید به همان راحتی که به جلو می‌رود، به عقب هم جریان داشته باشد، تا قلمرو کوانتومی که در آن، رابطه علت و معلول می‌تواند وارونه شود. حتی ممکن است خود زمان یک توهم باشد.

آنچه رمزآلود بودن زمان را دوچندان می‌کند این است که سه برداشت کاملاً متفاوت از آن وجود دارد؛ برداشت‌هایی که به‌سادگی در یک چارچوب واحد نمی‌گنجند.

زمان به‌عنوان یک پارامتر در معادلات فیزیکی

اولین برداشت از زمان همان مفهومی است که در معادلات توصیف‌کننده دگرگونی‌های فیزیکی به‌کار می‌رود. ما برای توضیح هر چیز از حرکت یک توپ تنیس گرفته تا فروپاشی هسته‌های اتم، معادلات مختلفی داریم و در تمام آن‌ها، زمان صرفاً یک کمیت ریاضی است؛ برچسبی که عددی مشخص به آن نسبت داده می‌شود. به این نوع نگاه، زمان مختصاتی (coordinate time) گفته می‌شود.

زمان در نسبیت اینشتین

تعریف دوم از نظریه‌های نسبیت اینشتین نشأت می‌گیرد؛ جایی که زمان به‌عنوان یک بعد جداگانه در کنار سه بعد مکان در نظر گرفته می‌شود و بخشی از ساختار چهاربعدی فضا–زمان محسوب می‌شود. در این دیدگاه، گذشته، حال و آینده همگی واقعی و هم‌زمان موجودند، درست مانند تمام نقاط فضا که واقعیت دارند. علاوه بر این، طبق نسبیت عام، شکل و ساختار فضا–زمان به شدت تحت تأثیر گرانش قرار می‌گیرد.

پیشروی فیزیک نظری در نیم‌قرن گذشته عمدتاً متمرکز بر تلاش برای یکپارچه‌سازی نسبیت عام با مکانیک کوانتومی بوده است؛ چارچوب‌هایی که این هدف را دنبال می‌کنند، تحت عنوان نظریه‌های گرانش کوانتومی شناخته می‌شوند.

اما سؤال اصلی این است که چگونه می‌توان میان دو تعریف متفاوت از زمان یکی به‌عنوان پارامتری در مکانیک کوانتومی و دیگری به‌عنوان بُعدی در نسبیت، آشتی برقرار کرد؟

این چالش را می‌توان نخستین مسئله زمان فیزیکی نامید.

زمان در گرانش کوانتومی

هماهنگ‌کردن نسبیت عام و مکانیک کوانتومی کار ساده‌ای نیست، زیرا دستگاه‌های ریاضی این دو نظریه در بسیاری از جنبه‌ها با یکدیگر سازگار نیستند. از یک سو، پدیده‌های کوانتومی در مقیاس‌های بسیار کوچک و در سطح ذرات بنیادین رخ می‌دهند؛ از سوی دیگر، گرانش اساساً در مقیاس‌های بسیار بزرگ و نجومی معنا می‌یابد.

همین تفاوت بنیادی در مقیاس‌ها باعث می‌شود طراحی آزمایش‌هایی که بتوانند هر دو حوزه را به‌طور هم‌زمان و با دقت کافی اندازه‌گیری کنند، با دشواری‌ای استثنایی همراه باشد. این شکاف تجربی و نظری یکی از دلایل اصلی کندی پیشرفت در مسیر یکپارچه‌سازی این دو چارچوب مهم فیزیک است.

نخستین تلاش‌ها برای یکسان‌سازی این دو نظریه، جان ویلر (John Wheeler) و برایس دویت (Bryce DeWitt) را در سال ۱۹۶۷ به معادله‌ای رساند که بعدها به «معادلهٔ ویلر–دویت» مشهور شد؛ معادله‌ای که در آن هیچ نشانی از زمان دیده نمی‌شود. هدف آن‌ها این بود که حالت کوانتومی کل جهان را به‌گونه‌ای توصیف کنند که به زمان وابسته نباشد. همین ویژگی عجیب باعث شد بسیاری از فیزیک‌دانان چنین برداشت کنند که شاید «زمان صرفاً یک توهّم» است و در سطح بنیادی واقعاً وجود نداشته باشد.

اما آیا باید تا این اندازه رادیکال باشیم و نقش زمان را به‌طور کامل کنار بگذاریم؟ این پرسش مطرح است که نظریه‌های گرانش کوانتومی امروز چگونه با مفهوم زمان برخورد می‌کنند. پاسخ کوتاه و روشن این است که: وضعیت همچنان بسیار مبهم و نامطمئن باقی مانده.

در برخی رویکردها، نقطه آغاز همچنان «زمان مختصاتی» است؛ رویکردی که در ادامه، زمان را دوباره به‌صورت یک بُعد در ساختار فضا–زمان چندبعدی وارد می‌کند. اما حتی اگر گرانش کوانتومی بتواند این ناسازگاری‌ها را برطرف کند، یک معمای بنیادین همچنان حل‌نشده باقی می‌ماند: چرا زمان فقط در یک جهت جریان دارد؟

زمان در ترمودینامیک

تعریف سوم از دل ترمودینامیک برمی‌آید؛ جایی که زمان نه به‌صورت یک بُعد مستقل مطرح می‌شود و نه صرفاً یک برچسب ریاضی است، بلکه جهتی دارد که از گذشته به سوی آینده امتداد می‌یابد.

این جهت همان روند افزایش آنتروپی است: آب شدن یخ، سقوط توپ از سراشیبی، پراکندگی گرما و نمونه‌های مشابه.

اما چالش اصلی در اینجاست که تمام معادلات بنیادی فیزیک نسبت به برگشت‌پذیری زمان بی‌تفاوت‌اند، یعنی اگر جهت زمان را عوض کنیم، معادلات همچنان درست کار می‌کنند؛ با این‌حال، ما در جهان واقعی، تفاوت واضحی بین گذشته و آینده می‌بینیم.

این پرسش همان چیزی است که به آن «دومین مسئله زمان فیزیکی» گفته می‌شود: چطور ممکن است جهان ما رفتاری برگشت‌ناپذیر داشته باشد، درحالی‌که معادلات بنیادی فیزیک کاملاً برگشت‌پذیرند؟

برای نزدیک شدن به پاسخ، باید وارد حوزه کوانتوم شویم و به سراغ پدیده شگفت‌انگیز «درهم‌تنیدگی» برویم.

درهم‌تنیدگی کوانتومی

ذرات کوانتومی مانند الکترون‌ها یا فوتون‌ها می‌توانند ویژگی‌هایی داشته باشند که پیش از اندازه‌گیری ثابت نیستند؛ ویژگی‌هایی مانند موقعیت، اندازه حرکت، انرژی یا جهت اسپین. به بیان دیگر، این ذرات می‌توانند در یک حالت «برهم‌نهی کوانتومی» قرار بگیرند؛ حالتی که در آن هم‌زمان مجموعه‌ای از مقادیر ممکن را دارند، مثلاً می‌توانند در فضا گسترده باشند یا به‌طور هم‌زمان در دو جهت مختلف بچرخند.

فقط زمانی که ما تصمیم می‌گیریم یک ویژگی را مشاهده کنیم، سیستم کوانتومی مجبور می‌شود یکی از گزینه‌های متعدد آن ویژگی را که پیش از این به‌طور هم‌زمان وجود داشت، انتخاب کند.

اما اگر پیش از اندازه‌گیری ما، یک الکترون با الکترون دیگری برهم‌کنش داشته باشد، این الکترون دوم می‌تواند تحت تأثیر حالت برهم‌نهی الکترون اول قرار گیرد و پیش از اندازه‌گیری، خود را در یک وضعیت نامشخص بیابد.

می‌گوییم این دو الکترون درهم‌تنیده هستند و باید آن‌ها را به‌عنوان یک موجودیت کوانتومی واحد توصیف کنیم. ویژگی عجیب درهم‌تنیدگی این است که مشاهده یکی از دو الکترون، باعث می‌شود الکترون دوم نیز هم‌زمان به یکی از وضعیت‌های موجود در برهم‌نهی خود برود، هرچقدر هم که از یکدیگر دور باشند و نکته این است که بحث فقط درباره درهم‌تنیدگی دو الکترون نیست؛ کل جهان می‌تواند و در واقع ناگزیر است با محیط اطراف خود به‌صورت کوانتومی درهم‌تنیده شود.

در واقع، دیگر نباید درهم‌تنیدگی کوانتومی را پدیده‌ای عجیب و نادر در طبیعت تصور کنیم. بلکه این فرایند، یکی از شایع‌ترین رخدادها در کیهان است. حال این سؤال پیش می‌آید: چگونه می‌تواند به ما در رمزگشایی ماهیت زمان کمک کند؟

در سال ۱۹۸۳، دان پیج (Don Page) و ویلیام ووترز (William Wootters) برای نخستین بار رابطه‌ای میان زمان و درهم‌تنیدگی کوانتومی پیشنهاد دادند و بدین ترتیب زمان را از معادله‌ی بی‌زمان ویلر–دویت رهایی بخشیدند.

تصور کنید یک ساعت کوانتومی فرضی با محیط اطرافش درهم‌تنیده شده باشد. به‌جای آن‌که تصور کنیم ساعت در حالت برهم‌نهی دو مکان مختلف در فضا قرار دارد، می‌توانیم آن را با محیط اطرافش ترکیب کنیم تا یک سیستم درهم‌تنیده «ساعت و محیط» داشته باشیم که در برهم‌نهی از حالات در زمان‌های مختلف قرار دارد.

حالا، وقتی زمان را با خواندن ساعت اندازه‌گیری می‌کنیم، این عمل باعث می‌شود محیط ساعت تنها در همان حالت و همان لحظه قرار گیرد.

پس اگر وضعیت کلی جهان، که ممکن است بی‌زمان باشد، را از دو بخش تشکیل‌شده در نظر بگیریم: بخش یک ساعت و بخش دو همه چیز دیگر، چه؟

برای ما که در دل همان همه چیز دیگر قرار داریم، درک یک زمان مشخص معادل است با اندازه‌گیری ساعت در همان لحظه؛ بنابراین ما واقعیت، یعنی محیط ساعت، که همان جهان است را در همان لحظه تجربه می‌کنیم.

اما اگر از بیرون جهان نگاه کنیم، همه زمان‌ها هم‌زمان وجود دارند و هیچ گذری از زمان رخ نمی‌دهد، همان‌طور که ویلر و دویت استدلال کردند.

به زبان ساده اگر ساعت و محیطش را به‌عنوان یک سیستم واحد در نظر بگیریم، هر بار که ساعت را اندازه‌گیری می‌کنیم، محیط نیز مجبور می‌شود دقیقاً در همان لحظه مطابق با زمان خوانده‌شده قرار گیرد. در نتیجه، زمان چیزی است که از مشاهده ما نسبت به ساعت و محیطش شکل می‌گیرد. اما اگر از بیرون به کل جهان نگاه کنیم، همه زمان‌ها هم‌زمان وجود دارند و هیچ جریانی در کار نیست.

علیت کوانتومی و وارونگی زمان

اگر یک سیستم کوانتومی بتواند در دو زمان مختلف به‌طور هم‌زمان وجود داشته باشد، آنگاه پیامد شگفت‌آورتری پدید می‌آید، به این معنا که برای وقوع هر رویدادی، علت باید پیش از معلول رخ دهد.

دو رویداد A و B را در نظر بگیرید.
در فیزیک کلاسیک سه حالت داریم:

• A قبل از B
• B قبل از A
• هیچ‌کدام باعث دیگری نشده‌اند

اما در دنیای کوانتومی، ممکن است حالت «A قبل از B» و «B قبل از A» به‌طور هم‌زمان برقرار باشد. در این حالت، ترتیب علت و معلول مبهم می‌شود.

اگر گرانش، طبق نسبیت عام، را هم اضافه کنیم، اوضاع پیچیده‌تر می‌شود. دو ساعت کوانتومی در ارتفاعات مختلف می‌توانند با سرعت متفاوتی تیک بزنند و وقتی این حالت‌ها درهم‌تنیده شوند، قبل از اندازه‌گیری، هیچ ترتیب زمانی مشخصی وجود ندارد.

در چنین چارچوبی، حتی امکان دارد رویدادهای آینده روی گذشته اثر بگذارند و پدیده‌ای موسوم به علیت معکوس (retrocausality) را پدید آورند.

برخی فیزیکدانان علیت را مقدس می‌دانند و حفظ آن را ضروری، اما برخی دیگر از امکان تأثیر آینده بر گذشته و حتی سفر کوانتومی در زمان دفاع کرده‌اند.

ممکن است حتی با دستیابی به نظریه حقیقی گرانش کوانتومی، زمان در نهایت یک مفهوم واحد نباشد؛ بلکه پدیده‌ای چندلایه و پیچیده باشد، چیزی که بسته به نحوه نگاه ما، رفتار متفاوتی نشان دهد: بُعدی از فضا–زمان، یک برچسب ریاضی، و پیکانی برگشت‌ناپذیر از گذشته به آینده.

شاید همه این‌ها تنها در مقیاس تقریبی و تجربه‌محور ما معنا داشته باشند. و شاید برای فهم حقیقت زمان، باید بسیار عمیق‌تر کاوش کنیم.