زمان چیست؟ – توضیح مفهوم در فیزیک به زبان ساده

۱۶۶۴۷ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۲۴ اردیبهشت ۱۴۰۲
زمان مطالعه: ۴۸ دقیقه
زمان چیست؟ – توضیح مفهوم در فیزیک به زبان ساده

گرچه زمان برای هر کسی آشنا است، اما تعریف و درک آن بسیار سخت به نظر می‌رسد. تعریف‌های متفاوتی از زمان در علم، فلسفه و هنر وجود دارند. اما چگونگی اندازه‌گیری این کمیت تقریبا ثابت و یکسان است. ساعت‌ها، براساس ثانیه، دقیقه و ساعت، کار می‌کنند. گرچه پایه این واحدها در طول تاریخ تغییر کرده‌اند، ریشه آن‌ها به سومریان باستان برمی‌گردد. در سال‌های اخیر، ثانیه به عنوان واحد بین‌المللی زمان انتخاب شده است و به صورت انتقال الکترونیکی اتم سزیم تعریف می‌شود. در این مطلب، در تلاش هستیم به پرسش زمان چیست به زبان ساده پاسخ دهیم و در مورد مفهوم آن در فیزیک صحبت کنیم.

زمان چیست ؟

زمان مفهومی است که در ظاهر هر کسی با آن آشنا است. ۶۰ ثانیه برابر یک دقیقه، ۶۰ دقیقه برابر یک ساعت و ۲۴ ساعت برابر یک روز است. به این حالت، زمان خطی گفته می‌شود که هر کسی با آن موافقت می‌کند. اکنون، فرض کنید شخصی در خیابان نزد شما می‌آید و از شما می‌خواهد زمان را رسم کنید، چه می‌کشید؟ به احتمال خیلی زیاد ساعت یا تقویمی رسم می‌کنید که ساعت یا روز مشخصی را نشان می‌دهند. ساعت و تقویم تنها نشانه‌هایی از گذر زمان هستند. این نقاشی‌ها، تنها سطح معمای زمان را خراش می‌دهند و نکته‌ای به تعریف و مفهوم زمان اضافه نمی‌کنند.

نقاشی زمان

گرچه زمان در ظاهر، زندگی ما را اداره می‌کند و اجتناب‌ناپذیر است، اما حتی توسط باهوش‌ترین افراد در زمین نیز نمی‌تواند توضیح داده شود. بنابراین، سوال بنیادی که مطرح می‌شود آن است که زمان چیست؟ آیا می‌توان وجود زمان را اثبات کرد؟ ارسطو در این مورد سخن معروفی دارد، زمان ناشناخته‌ترینِ ناشناخته‌ها است. گرچه این جمله در حدود ۲۵۰۰ سال قبل توسط ارسطو مطرح شد، هنوز هم صحیح‌ترین جمله در توصیف زمان در نظر گرفته می‌شود. اگر پرسش «زمان چیست» را در گوگول تایپ کنیم، به احتمال زیاد به پاسخ «زمان، یک بعد است» می‌رسیم. ار بسیاری جهات، تعریف زمان به عنوان بعد، صحیح است.

فرض کنید به دوستتان پیام می‌دهید و از او می‌پرسید، آیا برای صرف قهوه زمانِ آزاد دارد و پاسخ او مثبت است. به طور حتم، اسم کافه را به همراه زمان برای او می‌فرستید. اما، در این تعریفِ زمان به عنوان بعد، نقصی وجود دارد. در این تعریف، درهای زیادی بسته مانده‌اند. زیرا، زمان، نوعی اندازه‌گیری نیز محسوب می‌شود. به عنوان مثال، فرض کنید در سال ۱۹۸۴ میلادی به دنیا آمده باشید. در این حالت، شما در حدود ۳۹ سال قبل به دنیا آمده‌اید. اگر بگویید در حدود ۱۸ میلیارد کیلومتر در گذشته متولد شده‌اید، اطرافیانتان به طور حتم بسیار عجیب به شما نگاه خواهند کرد و از شما خواهند پرسید، آیا خوبی.

در بعد مکان و جهان سه‌بعدی که زندگی می‌کنیم، رفت‌ و برگشت بین مکان‌های مختلف بسیار راحت است. زیرا، نقاط مختلف در فضا ثابت شده‌اند. اگر برای خرید روزانه به مغازه بروید و در راه برگشت متوجه شوید که شیر نخریده‌اید، به راحتی می‌توانید برگردید و آن را بخرید. اما زمانی که صرف انجام این کار کرده‌اید، غیرقابل‌برگشت است. این زمان برای همیشه در گدشته گم شده است. اگر جسمی را در فضای سه‌بعدی قرار دهیم و به آن نیرویی وارد نکنیم، تا بی‌نهایت در جایگاه خود باقی خواهد ماند. اگر بطری آبی را روی میز قرار دهیم، تا هنگامی که به آن نیرویی وارد نکرده‌ایم در آنجا باقی می‌ماند. اما این بطری قربانی زمان می‌شود.

بطری آب روی میز

بردار زمان چیست ؟

زمان را می‌توان به بردار تشبیه کرد، برداری که در یک جهت و به سمت جلو حرکت می‌کند. دانشمندان به این بردار، بردار زمان می‌گویند. اگر روزی از خواب بیدار شوید و خود را شناور در فضایی تهی ببینید، آیا می‌توانید بگویید کدام جهت به سمت بالا، کدام جهت به سمت پایین، به سمت راست یا چپ است؟ به احتمال خیلی زیاد قادر به تشخیص جهت نخواهید بود. در این حالت، زمان بسیار ساده‌تر به نظر می‌رسد. زمان از گذشته می‌آید و به هنگام انفجار بزرگ شکل می‌گیرد. تاریخ ما از لحظه انفجار بزرگ ثبت شده است. در زمان حال، ما شبیه زندانیانی هستیم که به سمت آینده‌ای نامشخص پیش می‌رویم.

خاطرات و اتفاقات رخ داده در گذشته را به یاد می‌آورید. به عنوان مثال، از خرید روزانه و فراموش کردن خرید شیر برای دوستتان تعریف می‌کنید. توجه به این نکته مهم است که به یاد آوردن تمام اتفاقات رخ داده در گذشته تقریبا غیرممکن است. بیگ‌بنگ، به عنوان مبدأ بردار زمان در نظر گرفته می‌شود. این بردار، از آن زمان تاکنون به سمت جلو حرکت کرده است. از قانون دوم ترمودینامیک یا آنتروپی برای نمایش زمان استفاده می‌کنیم. آنتروپی به صورت معیاری برای اندازه‌گیری بی‌نظمی در کیهان، تعریف می‌شود. در زمان بیگ‌بنگ، تمام مواد موجود در جهان در نقطه بسیار کوچکی جمع شده بودند. این حالت به عنوان حالتی با آنتروپی بسیار کوچک یا حالت منظم توصیف می‌شود.

 

این حالت، شبیه جا دادن تمام ساک‌های ساخته شده تاکنون در کشویی کوچک است. جا دادن تمام ساک‌ها در یک کشو به شما این اطمینان را می‌دهد که هر ساک با احتمال ۱۰۰٪ در کشوی موردنظر قرار دارد. پس از انفجار بزرگ، تمام مواد موجود در کیهان از یکدیگر دور شدند و می‌شوند. از این‌رو، آنتروپی کیهان افزایش می‌یابد. به دلیل وجود آنتروپی و بردار زمان، کهکشان‌ها، ستاره‌ها، سیاره‌ها و حتی زندگی در کیهان وجود دارند. به دلیل وجود آنتروپی قادر به بیان تفاوت بین گذشته و آینده هستیم. آنتروپی به ما می‌گوید، چرا انسان متولد می‌شود، زندگی می‌کند و می‌میرد. زندگی انسان‌ها همیشه و از آغاز تاکنون به همین ترتیب بوده است.

بردار زمان

اگر هیچ آنتروپی در جهان وجود نداشت (هیچ تغییری در کیهان رخ نمی‌داد)، تفاوت بین سال‌های ۲۰۱۷ و یک میلیارد را نمی‌توانستیم بیان کنیم. مهم نیست چه کاری انجام می‌دهید یا کجا هستید، زمان به سمت جلو حرکت می‌کند و برای هیج‌کس و هیچ‌چیز متوقف نمی‌شود. این عبارت حداقل برای برای حالت‌های ماکروسکوپی صحیح است. بنابراین، بردار زمان به خوبی کار می‌کند و در مقیاس بزرگ، به خوبی قابل‌تشخیص است. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که زمان در مقیاس کوانتومی چگونه است؟ عملکرد زمان در این مقیاس، متفاوت است. مثال برخاستن از خواب در فضای تهی را به یاد بیاورید. همان‌طور که گفتیم در این حالت هیچ ایده‌ای در مورد جهت‌های جغرافیایی ندارید. این حالت، تنها در فضای تهی رخ می‌دهد.

اگر به زمین برگردید، تعیین جهت‌های جغرافیایی بسیار راحت خواهد بود. عملکرد بردار زمان نیز مشابه این حالت است. در مقیاس ماکروسکوپی، به راحتی می‌توانیم تفاوت سال‌های ۱۹۰۰ و ۲۰۲۳ میلادی را بیان کنیم. گذر زمان در مقیاس‌های بزرگ به راحتی مشاهده می‌شود. اما، مقیاس میکروسکوپی تفاوت بسیاری با مقیاس ماکروسکوپی دارد. اگر به مقیاس میکروسکوپی و فیزیک حاکم بر کیهان نگاه کنیم، مفاهیم آنتروپی و زمان خیلی واضح به نظر نمی‌رسند. فرض کنید به هنگام شکستن تخم‌مرغ و ریختن آن داخل ظرف از خود فیلم‌برداری می‌کنید. اگر فیلم را از پایان به آغاز نگاه کنیم، به راحتی تشخیص می‌دهیم که فیلم به صورت وارونه نمایش داده شده است.

شکستن تخم مرغ

مثال دیگری را در نظر بگیرید. اگر از حرکت رفت و برگشتی آونگی، به مدت ۵ دقیقه فیلم‌برداری کنیم و پس از برعکس کردن فیلم، آن را به افراد مختلفی در خیابان نشان دهیم، آیا قادر به تشخیص برعکس شدن فیلم هستند؟ با احتمال بالایی تشخیص نخواهند داد. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، بردار زمان در مقیاس ماکروسکوپی در یک جهت و به سمت جلو حرکت می‌کند. اما اگر زمان را به مقیاس میکروسکوپی (مقیاسی متشکل از ذرات سازنده جهان)‌ ببریم، این‌گونه به نظر می‌رسد که در تمام جهت‌ها، عقب و جلو، حرکت می‌کند. هیچ قانون فیزیکی مبنی بر تفاوت بین گذشته و آینده وجود ندارد. تنها دلیلی که می‌توانید در مورد شام دیشب و شام امشب فکر کنید، بردار زمان و وجود آنتروپی است.

تا اینجا می‌دانیم چرا بردار زمان و آنتروپی بسیار مهم هستند. این دو مفهوم بر زندگی ما و جهان، حکومت می‌کنند. حقیقت افزایش آنتروپی به خوبی درک شده است. شکل زندگی امروزی به افزایش آنتروپی مربوط می‌شود. در مطالب بالا گفتیم آنتروپی کیهان به هنگام انفجار بزرگ بسیار کوچک بود. آیا می‌دانید چرا؟ پاسخ به این پرسش بسیار ساده است، مقدار آنتروپی کیهان، دیروز کمتر از امروز بود و فردا بیشتر از امروز خواهد بود. مفهوم این پاسخ ساده به لحظه انفجار بزرگ برمی‌گردد. این جمله را زیاد شنیده‌اید، کیهان در لحظه انفجار بزرگ متولد شد و به وجود آمد. تا آنجا که می‌دانیم این جمله صحیح است، اما ممکن است درست نباشد.

رابطه آنتروپی و زمان چیست

نسبیت عام اینشتین به ما این اجازه را می‌دهد که به چند ثانیه پس از بیگ‌بنگ برگردیم، اما پس از آن تمام معادلات به هم می‌ریزند. تاکنون، هیچ نظریه فیزیکی مبنی بر عدم وجود زمان قبل از انفجار بزرگ وجود ندارد. علم برای مشاهده قبل از بیگ‌بنگ، به اندازه کافی پیشرفت نکرده است. از آنجا که کیهان در حال انبساط است و آنتروپی با زمان افزایش می‌یابد، در آینده‌ای بسیار دور اجزای تشکیل‌دهنده کیهان به قدری از یکدیگر فاصله می‌گیرند که فضا تقریبا تهی می‌شود. فاصله هر ماده از ماده دیگر، حتی اتم‌ها، به قدری زیاد می‌شود که هیچ برهم‌کنشی بین آن‌ها رخ نمی‌دهد. از آنجا که دما در کیهان روز به روز تغییر می‌کند، آنتروپی نیز تغییر خواهد کرد. توجه به این نکته مهم است که نوسانات دمایی بسیار کوچک در مقیاس زمانی بسیار کوچک، مانند طول عمر متوسط انسان، رخ می‌دهند.

در مقیاس زمانی مانند $${{10 ^ { 10 } } ^ { 10 }} ^ { 56 }$$ سال، ممکن است نوسانات کوانتومی منجر به کاهش آنتروپی شدید شوند. در این حالت، شرایطی مشابه شرایط بیگ‌بنگ ایجاد می‌شود. در این حالت، می‌توان بردار زمان و منشأ کیهان را توضیح داد. گرچه برای پاسخ به این پرسش باید فیزیک کوانتوم و نسبیت عام اینشتین را با یکدیگر ترکیب کنیم. در این حالت، ارتباطی علمی بین جهان کوانتمی اتم‌ها و جهان ماکروسکوپی ستاره‌ها، کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌ها در کیهان ایجاد می‌شود. به این ارتباط، نظریه همه چیز گفته می‌شود. دانشمندان بسیاری بر روی این نظریه کار می‌کنند. با استفاده از این نظریه می‌توانیم توضیح دهیم چرا و چگونه جهانی که در آن زندگی می‌کنیم، به وجود آمد. حتی شاید با استفاده از این نظریه بتوانیم وجود جهان‌های موازی را اثبات کنیم.

 

زمان در فلسفه چیست ؟

در مطالب بالا به پرسش زمان چیست به زبان ساده پاسخ دادیم و در مورد ارتباط آن با آنتروپی صحبت کردیم. مفهوم زمان در عین حال که ساده به نظر می‌رسد، بسیار پیچیده است. زمان را می‌توان از دیدگاه فیزیکی یا فلسفی بررسی کرد. در این بخش، به زمان از دیدگاه فلسفی نگاه می‌کنیم. بررسی زمان از دیدگاه فلسفی بدان معنا نیست که با خود فکر کنیم زمان چه مفهوم عجیب و زیبایی دارد. فیزیک و فلسفه یا علوم و فلسفه، رابطه طولانی‌مدتی با یکدیگر دارند. گرچه فیزیک و فلسفه، هدف‌های متفاوتی را دنبال می‌کنند، برخی موضوع‌های پوشش داده شده توسط آن‌ها با یکدیگر هم‌پوشانی دارند. به عنوان مثال، به هنگام مطالعه زمان و پاسخ به پرسش زمان چیست، دیدگاه فلسفی به کمک ما می‌آید.

فلاسفه در تلاش هستند درون منطقی هر مفهومی را درک کنند. در مقابل، فیزیک‌دان‌ها به دنبال نظریه‌های مختلف برای رخدادهای علمی هستند. یافتن نظریه‌ای که به درستی رخدادهای مختلف را توضیح دهد بسیار سخت است. در نگاه نخست یافتن چنین نظریه‌ای بسیار غیرممکن به نظر می‌رسد، اما یافتن نظریه‌های انقلابی همچون کوانتوم و نسبیت، خط بطلانی بر این فرضیه کشید. نظریه کوانتوم، نظریه‌ای قابل درک برای بیشتر افراد نیست، اما به خوبی می‌تواند بسیار از پدیده‌های فیزیک را توضیح دهد و این برای ما کافی است. فلاسفه به دنبال انجام کار بهتر و موثرتری هستند.

حالت مشابهی برای زمان وجود دارد. عملکرد فیزیکی زمان را در چارچوبی مشخص می‌دانیم، اما سوالات فلسفی زیادی در رابطه با آن وجود دارند. هنگامی که در مورد زمان، به خصوص فضا-زمان، صحبت می‌کنیم، زمان چه مفهومی دارد؟ مفهوم عبارت «تمام کیهان» چیست؟ در حالت کلی، منظور ما از کیهان، نه‌تنها فضا و تمام اجرام آسمانی قرار گرفته در آن است، بلکه در مورد فضای اطرافمان و موقعیت اجسام مختلف در جهان صحبت می‌کنیم. چیزی که در فکر ما در مورد جهان وجود دارد آن است که بارها و بارها اتفاق می‌افتد. بنابراین، از ابتدا و به صورت خودکار، زمان و فضا را متفاوت تعریف کردیم. تعریف ما از فضا همان چیزی است که به جهان و وجود آن مربوط می‌شود. در مقابل،‌ زمان برچسبی است که به ما می‌گوید در مورد کدام لحظه از جهان صحبت می‌کنیم.

گذر زمان

جهان را می‌توان مشابه فیلمی دانست که از قاب‌های زمانی مختلفی تشکیل شده است. به هنگام استفاده از این تشابه باید بسیار مراقب بود، زیرا بر طبق این تشابه می‌توان لحظه‌های زمان را همانند نوار فیلم، گسسته دانست. تا آنجا که می‌دانیم هیچ چیزی در فیزیک وجود ندارد که به ما بگوید زمان، گسسته است. تا آنجا که می‌دانیم زمان را می‌توان به طور کامل، پیوسته در نظر گرفت. بر طبق نظریه برخی دانشمندان، آشتی فیزیک کوانتوم با نسبیت عام شاید روزی به ما بگوید، زمان گسسته است. اما تا این زمان، گسسته بودن زمان معنای فیزیکی ندارد.

تفاوت فضا و زمان چیست ؟

دو نقطه به نام‌های A و B را در فضا را در نظر بگیرید. این‌گونه به نظر می‌ٰسد که اتفاق رخ داده در نقطه A، کم‌وبیش از اتفاق رخ داده در نقطه B جدا است. در جهان واقعی،‌ همه چیز نقطه به نقطه، به طور کامل تغییر نمی‌کند. به عنوان مثال، در اتاقی که ایستاده‌اید هوا در همه جا وجود دارد. دو نقطه فرضی را داخل این اتاق در نظر می‌گیریم. هوا در هر دو نقطه وجود دارد. اگر دست خود را در فاصله بسیار کمی نسبت به کف اتاق قرار دهیم، کف اتاق و هوا را نزدیک یکدیگر داریم. هیچ چیز نمی‌تواند ما را از داشتن فضایی خالی از ماده در یک نقطه و فضایی کاملا متراکم در نقطه‌ای دیگر بازدارد.

در مقابل، زمان، قوانینی در مورد اتفاقات رخ داده پس از هر لحظه، دارد. از این‌رو، می‌دانیم قوانین فیزیک چگونه کار می‌کنند. در لحظه‌ای خاص از زمان می‌دانیم هر چیزی در جهان چگونه است و چگونه کار می‌کند. قوانین فیزیک به ما می‌گویند در لحظات بعد چه اتفاقی رخ می‌دهد. بنابراین، قوانین فیزیک از لحظه‌ای مشخص یا از حالتی از جهان در یک لحظه آغاز می‌شوند و اتفاقات رخ داده در لحظه‌های متوالی بعدی را پیش‌بینی می‌کنند. همان‌طور که می‌بینیم فضا و زمان دو مفهوم کاملا متفاوت از یکدیگر هستند. در فضا، قوانین فیزیک نمی‌توانند بگویند چون اتفاقی در مکان A رخ داده است، در مکان B نیز رخ خواهد داد.

فضا و زمان

ارسطو قوانین فیزیک را کشف کرد. این قوانین در مورد اتفاقات رخ داده برای هر جسمی در لحظه‌های پس از لحظه حال، آینده، صحبت می‌کردند. قوانین فیزیک نه‌تنها در مورد آینده صحبت می‌کنند، بلکه برخی از آن‌ها برای پیش‌بینی آینده، نیاز به دانستن گذشته نیز دارند. در هر حال، قوانین فیزیک، از قوانین فیزیکی ارسطو گرفته تا قوانین کوانتوم فیزیک یا نسبیت اینشتین، با دانستن آنچه در لحظه‌ای خاص رخ می‌دهد، اتفاقات رخ داده در لحظه بعد را پیش‌بینی می‌کنند. تا اینجا می‌دانیم زمان چیست و چه تفاوتی با فضا دارد. ما در فضا حرکت می‌کنیم. در واقع به راحتی انتخاب می‌کنیم که به چه مکانی در فضا برویم. اما، این قضیه در مورد زمان صدق نمی‌کند. به راحتی نمی‌توانیم مکانی در زمان را برای رفتن انتخاب کنیم.

ارسطو

حرکت در زمان اجتناب‌ناپذیر است، در حالی‌که حرکت در فضا به انتخاب ما بستگی دارد. در اینجا به دیدگاه جالبی از جهان می‌رسیم. واقعیت را به عنوان لحظه‌ای در زمان در نظر می‌گیریم. مکانی به فاصله ۲۰، ۲۰ هزار یا ۲۰ میلیون کیلومتر دورتر از مکان خود را فرض کنید. شاید این مکان اکنون برای ما غیرقابل‌دسترس باشد، اما این به معنای واقعی نبودن آن نیست. بنابراین، مکان‌های مختلف در فضا را، چه آنجا باشیم یا نباشیم، به عنوان واقعیت مطلق در نظر می‌گیریم. اکنون به زمان بیاندیشید، به گذشته و آینده. آیا گذشته و آینده واقعی هستند؟ فکر کردن به پاسخ این پرسش ما را به نقطه‌ای می‌رساند که با خود می‌گوییم این سوال مناسبی برای پرسیدن نیست.

چرا در مورد زمان‌های متفاوت افکار متفاوتی داریم؟ نکته مهم آن نیست که بفهمیم چه چیزی واقعی است و چه چیزی واقعی نیست، نکته مهم آن است که چرا رفتار بسیار متفاوتی نسبت به گذشته و آینده داریم. چرا افکار بسیاری متفاوت نسبت به گذشته و آینده در مقایسه با بخش‌های مختلف فضا داریم؟ برای پاسخ به این پرسش باید بدانیم چگونه فضا و زمان را توصیف کنیم. در مطالب بالا گفتیم اگر دوستتان را به نوشیدن قهوه دعوت کنید، برای او زمان و مکان دقیق کافه موردنظرتان را می‌فرستید. در واقع مختصات نقطه‌ای مشخص، شامل فضا و زمان در جهان را برای دوستتان ارسال می‌کنید.

نوشیدن قهوه در کافه

اگر بخواهید دوستتان را در هر نقطه‌ای در فضا ملاقات کنید، تنها کافی است برای او سه شماره بفرستید. فضا، سه‌بعدی و از طول، عرض و ارتفاع تشکیل شده است. زمان بعد دیگری در جهان است. بنابراین، فضا-زمان، چهار بعد دارد و از سه بعد فضایی و یک بعد زمانی تشکیل می‌شود. فضا-زمان مجموعه‌ای از تمام عنصرهای متفاوت در جهان است. شاید با خود فکر کنید اینشتین نخستین کسی بود که در مورد فضا و زمان صحبت کرد، اما نیوتن سال‌ها قبل در مورد آن صحبت کرده بود. تفاوت دیدگاه نیوتن و اینشتین در مورد فضا و زمان آن بود که نیوتن هیچ علاقه‌ای به ادغام کردن آن‌ها با یکدیگر نداشت. انجام این کار هیچ لطمه‌ای به قوانین حرکت نیوتن وارد نمی‌کرد، اما هیچ نفعی نیز در برنداشت. اینشتین نشان داد فضا-زمان برای ناظرهای مختلف می‌تواند متفاوت باشد.

نگاه فلسفه و فیزیک نسبت به زمان چیست ؟

فلاسفه به طرز فکر هر روزه ما در مورد جهان، حال‌گرایی یا حضورگرایی می‌گویند. حال‌گرایی ایده‌ای است که می‌گوید جهان سه‌بعدی در لحظه‌ای از زمان و هر آنچه وجود دارد، واقعی است. بر طبق این ایده، گذشته و آینده، واقعی نیستند. زمان حال، واقعی، گذشته، خاطره و آینده، پیش‌بینی است. اما فیزیک نظر دیگری در این مورد دارد. بر طبق دیدگاه فیزیکی، اگر مشخصات جهان را به طور دقیق در زمان حال بدانیم، آینده را می‌توانیم پیش‌بینی کنیم. همچنین، گذشته جهان را می‌توان به خوبی با توجه به اطلاعات زمان حال بازسازی کرد. قوانین فیزیک، زمان حال را به آینده و گذشته متصل می‌کنند. بنابراین، می‌توان گفت گذشته، حال و آینده واقعی هستند. به این دیدگاه، «ابدیت» (Eternalism) گفته می‌شود.

بر طبق ایده حال‌گرایی، زمانِ حال، واقعی، گذشته، خاطره و آینده، پیش‌بینی است. در مقابل، ایده ابدیت‌گرایی می‌گوید حال، آینده و گذشته به طور مساوی واقعی هستند. هیچ نکته مهمی در مورد زمان حال وجود ندارد، جز آن‌که اکنون آن را تجربه می‌کنیم. شاید با خود فکر کنید چنین دیدگاهی در مورد جهان، اندیشیدن در مورد آن را بسیار سخت می‌کند. نام دیگر دیدگاه ابدیت، «بلوک جهانی» (Block Universe) است. زیرا، بر طبق این دیدگاه به جهان از خارج از آن نگاه می‌کنیم و آن را به صورت بلوکی چهاربعدی، فضا-زمان چهاربعدی، می‌بینیم.

بلوک جهانی

لحظه‌ای را در نظر بگیرید و از زندگی روزمره خود خارج شوید و به بلوک چهاربعدی جهان نگاه کنید. این‌گونه به نظر می‌رسد که این نگاه همان نگاهی است که توسط قوانین فیزیکی پیشنهاد شده است. توجه به این نکته مهم است که عده‌‌ای از فلاسفه، دیدگاه ابدیت را قبول ندارند. اگر حال، گذشته و آینده به یک اندازه واقعی باشند، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ مفهوم گذشته و آینده برای ما بسیار متفاوت است. جهان را می‌توان به صورت بلوکی در حال رشد نیز تصور کرد.

همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم، حال‌گرایان زمان حال را واقعی در نظر می‌گیرند. بر طبق این دیدگاه، آینده و گذشته کاملا واقعی نیستند. کمی این دیدگاه را تغییر می‌دهیم و زمان‌های گذشته و حال را واقعی در نظر می‌گیریم. در این حالت، می‌توانیم در مورد آینده تصمیم بگیریم. به عنوان مثال،‌شما می‌توانید تصمیم بگیرید که چه کارهایی را فردا انجام دهید، اما این انتخاب را در مورد دیروز ندارید. بنابراین، گذشته ثابت شده و داخل جعبه قرار گرفته است. به بیان دیگر، گذشته واقعی است. اما آینده باید انتخاب شود. این حالت برای ما بسیار طبیعی و مطابق تجربیات روزانه است، اما هیچ معنایی در قوانین فیزیکی ندارد.

دلیل مهم رفتار متفاوت نسبت به گذشته و حال در مقایسه با آینده به دلیل بردار زمان است. این زمان نیست که رفتار متفاوتی نسبت به گذشته، حال و آینده دارد، بلکه بردار زمان است. این بردار به مواد موجود و ماکروسکوپی در جهان بستگی دارد. همان‌طور که می‌دانیم مقدار آنتروپی مواد در کیهان در ابتدا بسیار کم بود و با گذشت زمان افزایش یافت. این افزایش همچنان ادامه دارد. این بردار زمان است که به ما گذر زمان را نشان می‌دهد. این دیدگاه بدان معنا نیست که گذشته واقعی‌تر از آینده است، بلکه اطلاعات بیشتری نسبت به گذشته داریم.

گذشته و آینده

اندازه گیری زمان چیست ؟

تا اینجا می‌دانیم مفهوم زمان چیست و در مورد دیدگاه فلسفه در مورد آن صحبت کردیم. در ادامه، در مورد نقش زمان در زندگی روزمره صحبت می‌کنیم. در زندگی روزمره، زمان را با استفاده از ساعت اندازه می‌گیریم. واحدهای زمانی مختلفی مانند ثانیه، دقیقه و روز وجود دارند. هنگام استفاده از ساعت، می‌توان از واحد زمانی گسسته (کوانتیزه شده) استفاده کرد. ساعت، کار مشابهی را بارها تکرار می‌کند. شاید از خود بپرسید آیا زمان می‌تواند دایره‌ای باشد. آیا زمان همان چیزی است که ساعت اندازه می‌گیرد؟ با گذر زمان، ساعت کار یکسانی را بارها و بارها تکرار می‌کند.

به این نکته توجه داشته باشید که تعریف دایره‌ای برای زمان معنایی ندارد. در زندگی روزمره، زمان آن چیزی است که ساعت اندازه می‌گیرد. ساعت کار یکسانی را بارها تکرار می‌کند. اما وجود چیزهایی که کار یکسانی را بارها تکرار می‌کنند، بدیهی تلقی نمی‌شود. نکته مهم در مورد ساعت‌‌ها آن است که بیش از یک ساعت در جهان ما وجود دارد. خوش‌شانس هستیم که در جهانی سرشار از ساعت زندگی می‌کنیم. در زمان‌های قدیم، ساعت به معنای امروزی وجود نداشت. بنابراین، برای اندازه‌گیری زمان از آسمان استفاده می‌کردند.

اندازه گیری زمان با استفاده از آسمان

زمین به دور محور خود و به دور خورشید می‌چرخد. این دو چرخش، قابل مقایسه با یکدیگر هستند. در واقع، زمین در هر چرخش کامل به دور خورشید، ۳۶۵/۲۵ بار به دور خود می‌چرخد. نکته جالب در مورد چرخش زمین، قابل‌پیش‌بینی بودن آن است. به بیان دیگر، تعداد چرخش زمین به دور خود در هر چرخش کامل به دور خورشید، ثابت است و با گذشت زمان، تغییر نمی‌کند. به همین دلیل، چرخش زمین، به دور خود و به دور خورشید، ساعتی قابل‌اطمینان است.

در آسمان ستاره‌ها، صور فلکی و سیاره‌های منظومه‌شمسی وجود دارند که به ما پدیده‌ای تکراری را نشان می‌دهند. بنابراین، اندازه‌گیری زمان با استفاده از آسمان از سال‌های دور رایج بوده است. چه ساعت‌های دیگری در جهان برای اندازه‌گیری زمان وجود دارند؟ به طور حتم حافظه و خاطرات مرجع مطمئنی برای اندازه‌گیری زمان نیست. به دنبال ساعتی قابل‌اطمینان هستیم که کار یکسانی را بارها تکرار کند. چرخش زمین به دور خود و خورشید، انتخاب مطمئنی است. علاوه بر آن، حرکت نوسانی آونگ را نیز می‌توان به عنوان مرجع مناسبی برای اندازه‌گیری زمان در نظر گرفت.

امروزه بهترین وسیله برای اندازه‌گیری زمان، کریستال‌های کوارتز است که در ساعت‌های مچی از آن استفاده می‌شود. کریستال کوارتز را می‌توان به شکل دیاپازون ساخت. تعداد نوسان این دیاپازون برابر ۳۲۷۶۸ یا $$2 ^ { 15 }$$ در ثانیه است. این بدان معنا است که عدد ۳۲۷۶۸ را پانزده مرتبه می‌توان بر ۲ تقسیم کرد. کوارتز قابل‌اطمینان و قابل‌پیش‌بینی است. دو مشخصه‌ای که برای اندازه‌گیری زمان لازم است.

کوارتز کریستالی

جستجو برای یافتن ساعت‌های قابل اطمینان همیشه آسان نیست. بار دیگر نوسان آونگ را در نظر بگیرید. این‌گونه به نظر می‌رسد که آونگ نوسانی، وسیله مناسبی برای اندازه‌گیری زمان خواهد بود. حرکت آونگ نوسانی با دامنه کم، سریع‌تر از حرکت آونگی با دامنه نوسان زیاد است. در سال ۱۵۸۳ میلادی، گالیله پسر کوچکی بود که با پدرش به کلیسا می‌رفت. از آنجا که گالیله پسر فعالی بودن، نشستن در کلیسا برای او کار خسته‌کننده‌ای محسوب می‌شود. بنابراین، گالیله با استفاده از لوستر آویزان از سقف، آزمایشی ذهنی برای خود طراحی کرد.

لوستر گاهی به عقب و جلو نوسان می‌کرد. سرعت نوسان گاهی کم و گاهی زیاد می‌شد. گالیله به این نتیجه رسید که میزان زمان لازم برای حرکت لوستر به عقب و جلو، یکسان و مستقل از دامنه نوسان است. سوال مهمی که ممکن است برایتان مطرح شود آن است که او چگونه این ایده را ارزیابی کرد. گالیله به این نتیجه رسید که می‌تواند نوسانات آونگ را با ضربان قلب خود مقایسه کند. جهانی بدون نظم را در نظر بگیرید که در آن هیچ ساعت خوبی برای اندازه‌گیری زمان وجود ندارد.

لوستر در کلیسا

اتفاقات تکراری در این جهان رخ می‌دهند، اما با نرخی غیر‌قابل‌پیش‌بینی نسبت به یکدیگر اتفاق می‌افتند. این جهان فرضی، جایی بسیار عجیبی برای زندگی است. در این جهان، نمی‌توان گذر زمان را اندازه گرفت و هیچ ساعت قابل‌اطمینانی وجود نخواهد داشت. زمان در این جهان هنوز وجود دارد. اما نمی‌توان گفت از لحظه‌ای به لحظه‌ دیگر چه مقدار زمان گذشته است. از این جهت، بسیار خوش‌شانس هستیم که در جهانی زندگی می‌کنیم که زمان را می‌توان در آن اندازه گرفت.

به جای پرسش «آیا گذشته و آینده به طور یکسان واقعی هستند» می‌توان پرسید، ساعت چه کاری انجام می‌دهد؟ این سوال نسبت به سوال قبل بسیار جالب‌تر به نظر می‌رسد. آزمایشی فرضی را در نظر بگیرید. فرض کنید زمان می‌ایستد، چه اتفاقی رخ خواهد داد؟ این سوال را به گونه‌ دیگری نیز می‌توان مطرح کرد، اگر زمان در تمام جهان آهسته شود، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ اگر زمان در سراسر جهان و برای هر چیزی آهسته شود، هیچ راهی برای فهمیدن این موضوع وجود نخواهد داشت.

آهسته شدن زمان چیست

رمانی در این زمینه به نام «فرماتا» (The Fermata) وجود دارد که توسط «نیکلسون بِیکِر» (Nicholson Baker) به رشته تحریر درآمد. این رمان در مورد مردی است که می‌تواند زمان را متوقف کند. نکته مهم در این کتاب آن است که قهرمان داستان زمان را در همه جهان متوقف نمی‌کند، بلکه زمان برای او می‌گذرد. اگر فیزیک‌دان یا فیلسوفی این رمان را بخواند، نخستین پرسشی که به ذهن او خطور می‌کند آن است که توقف زمان توسط یک فرد چه معنایی دارد. توقف زمان برای تمام جهان جز خود فرد انجام‌دهنده چه معنایی دارد؟

در جهان واقعی، هیچ‌کس نمی‌تواند زمان را برای همه جز خود متوقف کند. اگر زمان را برای همه جهان، جز شعاع سه‌متری، خود متوقف کنید، هیچ چیزی را فراتر از ۳ متر نخواهید دید. زیرا هیچ نوری از اجسام مختلف به شما نمی‌رسد. بر طبق نسبیت خاص اینشتین، ناظرهای مختلف گذر زمان را با سرعت‌های متفاوتی اندازه می‌گیرند. این حالت هنگامی صحیح است که در جای دیگری از جهان باشیم یا با سرعت متفاوتی در جهان حرکت کنیم. به عنوان مثال، اگر در نزدیکی سیاه‌چاله باشید یا در فضاپیمایی باشید که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند، مقدار گذر زمان نشان داده شما توسط ساعت شما با مقدار گذر زمان نشان داده شده توسط ساعتِ داخل خانه، تفاوت خواهد داشت.

پس از پاسخ به پرسش زمان چیست، به طور حتم از خود خواهید پرسید واحد اندازه‌گیری زمان چیست. در ادامه، در مورد این موضوع صحبت خواهیم کرد.

واحدهای اندازه گیری زمان چیست ؟

وسایل زیادی برای اندازه‌گیری زمان وجود دارند، برخی از آن‌ها زمان‌های طولانی و برخی زمان‌های کوتاه‌تر را اندازه می‌گیرند. واحدهای اندازه‌گیری زمان عبارت هستند از:

  • ثانیه
  • دقیقه
  • ساعت

این واحدها، کوچک‌ترین واحدهای اندازه‌گیری زمان هستند. زمانِ بر هم زدن پلک‌ها در حدود یک ثانیه است. هر تیک ساعت برابر یک ثانیه خواهد بود. عقربه ثانیه‌شمار روی ساعت، گذر ثانیه‌ها را نشان می‌دهد. پس از ثانیه، دقیقه یکی از کوچک‌ترین واحدهای اندازه‌گیری زمان است. یک دقیقه برابر ۶۰ ثانیه است. ممکن است بتوانید نفس خود را برای یک دقیقه حبس کنید یا روی یک پا به مدت یک دقیقه بپرید. این کارها را نمی‌توانید به مدت یک ساعت انجام دهید.

همان‌طور که در یک دقیقه، ۶۰ ثانیه وجود دارد، یک ساعت نیز از ۶۰ دقیقه تشکیل شده است. کارهای زیادی، مانند دوچرخه‌سواری، پیاده‌روی یا آشپزی را می‌توان در یک ساعت انجام داد. بهترین واحد زمانی برای بیان مدت زمان مسواک زدن چیست؟ بهترین واحد زمانی، دقیقه است. بهترین واحد زمانی برای اندازه‌گیری مدت زمان تماشای فیلم یا سریال، ساعت است.

 

پس از پاسخ به پرسش زمان چیست و تعریف آن در فلسفه و فیزیک، در مورد اتساع زمان در نسبیت خاص اینشتین صحبت می‌کنیم.

اتساع زمان چیست ؟

اینشتین در سال ۱۹۰۵ میلادی با بیان نظریه نسبیت، انقلابی در فیزیک جدید ایجاد کرد. اینشتین در یکی از عصرهای زیبای بهاری و به هنگام برگشت از محل کار، در حالی که در قطار شهری نشسته بود، به این سوال فکر کرد، اگر قطار با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کند، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ او به این نتیجه رسید اگر قطار با سرعتی برابر سرعت نور حرکت کند، عقربه‌های ساعت به طور کامل متوقف می‌شوند. همچنین، اینشتین می‌دانست عقربه‌های ساعتی که بیرون از قطار قرار دارد، با همان سرعت معمول خود حرکت خواهند کرد. زمان، تنها برای اینشتین آهسته می‌شود.

این فکر، ذهن او را به مرز انفجار رساند. اینشتین به این نتیجه رسید که هرچه در فضا سریع‌تر حرکت کنیم، در زمان با سرعت کمتری حرکت خواهیم کرد. این نتیجه چگونه ممکن است؟ پژوهش‌های انجام شده توسط اینشتین تحت‌تاثیر دو تن از بزرگ‌ترین فیزیک‌دان‌های تاریخ قرار داشت:

  • ایزاک نیوتن: نیوتن قوانین و معادلات حرکت در فیزیک کلاسیک را به‌دست آورد.
  • جیمز ماکسول: قوانین الکترومغناطیس را به‌دست اورد.

قوانین نیوتنی بر این نکته تاکید دارند که سرعت هرگز نمی‌تواند مقدار مطلقی داشته باشد، بلکه همواره نسبی است. بنابراین، سرعت هر جسم به چارچوب مرجع انتخاب شده بستگی دارد. به عنوان مثالی، قطاری را در نظر بگیرید که با سرعت ۴۰ کیلومتر بر ساعت نسبت به شخصی ساکن، حرکت می‌کند. اما سرعت این قطار نسبت به قطار دیگری که با سرعت ۲۰ کیلومتر بر ساعت و در جهت یکسانی نسبت به آن حرکت می‌کند، برابر ۲۰ کیلومتر بر ساعت خواهد بود. اگر قطار سومی با سرعت ۲۰ کیلومتر بر ساعت و در جهت مخالف قطار اول حرکت کند، سرعت نسبی قطار اول برابر ۶۰ کیلومتر بر ساعت است. نسبی بودن سرعت برای زمین، خورشید و تمام کهکشان راه شیری صحیح است.

از سوی دیگر، ماکسول به این نتیجه رسید که سرعت امواج الکترومغناطیسی، مانند نور، ثابت و برابر ۲۹۹۷۹۲۴۵۸ متر بر ثانیه و مستقل از چارچوب ناظر است. این‌گونه به نظر می‌رسید که نتیجه‌گیری ماکسول در مورد ثابت بودن سرعت نور با نسبی بودن سرعت سازگار نیست. اگر قوانین نیوتن جهانی هستند، چرا سرعت نور استثنا است؟ و اینجا بود که اینشتین دچار سردرگمی شد. تناقض بین ایده‌های نیوتن و ماکسول می‌تواند توسط یکی از آزمایش‌های فکری جالب اینشتین نشان داده شود.

سردرگمی اینشتین بین قوانین نیوتن و نظریه ماکسول در مورد سرعت نور

اینشتین فرض کرد در ایستگاه قطاری قرار دارد و دو صاعقه یکسان به دو سمت او برخورد می‌کنند. از آنجا که اینشتین در فاصله یکسانی از دو صاعقه قرار دارد، نور دریافتی از صاعقه‌ها را در زمان یکسانی دریافت می‌کند. اکنون ناظری رو سوار بر قطاری در نظر بگیرید که با سرعت نور حرکت می‌کند و این اتفاق را مشاهده می‌کند. اگر سرعت نور با قوانین نسبیت مطابقت داشته باشد، فرد داخل قطار برخورد صاعقه‌ها را همزمان مشاهده نخواهد کرد. به طور منطقی، نورِ نزدیک‌تر به ناظر داخل قطار، زودتر به او می‌رسد.

اندازه‌گیری سرعت نور توسط دو ناظر منجر به نتایج متفاوتی خواهد شد. این نتیجه در تناقض با حقیقت بنیادی جهان است. بنابراین، اینشتین باید تصمیم بسیار سختی می‌گرفت:

  • قوانین نیوتن صحیح نیستند.
  • سرعت نور، ثابت جهانی نیست.

اینشتین به این نتیجه رسید که هر دو ایده پس از تغییری بسیار کوچک در قوانین نیوتن می‌توانند وجود داشته باشند. برای حل اختلاف در اندازه‌گیری انجام شده در آزمایش فکری اینشتین، اینشتین پیشنهاد داد گذر زمان، برای جبران افزایش سرعت، باید برای ناظر داخل قطار آهسته شود. در این صورت، مقدار سرعت نور، ثابت باقی می‌ماند. اینشتین آهسته شدن زمان برای ناظر داخل قطار را، اتساع زمان نامید. اتساع زمان در نسبیت خاص مطرح شد.

اتساع زمان

نیوتن اعتقاد داشت زمان بی‌وقفه در یک جهت و به سمت جلو حرکت می‌کند. در مقابل، اینشتین به این نتیجه رسید زمان می‌تواند کش بیاید یا منقبض شود. به بیان دیگر، سرعت گذر زمان با سرعت حرکت تغییر می‌کند. زمان به دلیل انعطاف‌پذیر بودنش، همانند فضا لیاقت داشتن بعد را دارد. فضا، سه بعد و زمان، یک بعد دارد. این دو در کنار یکدیگر فضایی چهاربعدی به نام فضا-زمان را تشکیل می‌دهند.

اینشتین در نظریه نسبیت عام خود مطرح کرد که اجسام کلان جرمی مانند خورشید، اجسام دیگر را توسط نیرویی به نام نیروی گرانش جذب نمی‌کنند، بلکه جسمی با جرم زیاد فضا-زمان، اطراف خود را خمیده می‌کند. بنابراین، اجسام دیگر در نزدیک جسم، کلان جرم، داخل شیب ایجاد شده توسط خمیدگی فضا-زمان به دام می‌افتند. این موضوع در مورد جاذبه یا گرانش زمین نیز صدق می‌کند. ما به سمت زمین کشیده می‌شویم، زیرا فضا-زمان اطراف زمین به اندازه‌ای خمیده می‌شود که سبب کشش ما به سمت زمین پس از پرش از سطح آن می‌شود.

خمیدگی فضا و زمان چیست

توجه به این نکته مهم است که سقوط در فضا-زمان خمیده در اطراف زمین یکنواخت نیست. همچنین، گرانش زمین با حرکت به سمت مرکز زمین افزایش می‌یابد. بنابراین، میزان خمیدگی در مرکز زمین بیشینه است. در نتیجه، سرعت جسمی که به سمت زمین سقوط می‌کند، با کاهش ارتفاع نسبت به سطح، افزایش خواهد یافت. بر طبق نظریه نسبیت خاص، هر چه سرعت حرکت در فضا بیشتر باشد، گذر زمان آهسته‌تر خواهد بود. از این‌رو، با نزدیک‌تر شدن به سطح زمین، گذر زمان آهسته‌تر می‌شود.

از آنجا که جرم سیاره‌های مختلف و در نتیجه شتاب گرانشی آن‌ها، متفاوت است، شتاب اجسام در سیاره‌های مختلف، متفاوت خواهد بود. این موضوع به معنای تغییر سرعت گذر زمان در سیاره‌های مختلف است. این اتفاق در فیلم میان‌ستاره‌ای رخ داد. در این فیلم، فضاپیما در سیاره‌ای نزدیک به سیاه‌چاله فرود آمد. گرانش در این سیاره به اندازه‌ای بزرگ بود که زمانی برابر یک ساعت در آن معادل ۷ سال زمینی بود.

فیلم میان ستاره ای

آیا گرانش بر گذر زمان تاثیر می‌گذارد ؟

در مطالب بالا گفتیم هرچه جسمی با سرعت بیشتری حرکت کند، گذر زمان را کندتر احساس خواهد کرد. همچنین، توضیح دادیم که در فیلم میان‌ستاره‌ای سفر بازیگر اصلی فیلم به سیاره‌ای دوردست در نزدیکی سیاه‌چاله سبب کند شدن گذر زمان برای او شد. در این بخش در مورد تاثیر گرانش بر زمان صحبت می‌کنیم. اینشتین در نظریه معروف خود بیان کرد جسم به هنگام سقوط آزاد، کشش گرانش را احساس نمی‌کند. به بیان دیگر، سقوط آزاد همانند شناور بودن در فضای تهی است. به این نظریه مطرح شده توسط اینشتین، اصل هم‌ارزی گفته می‌شود.

هنگامی که فردی داخل آسانسور سقوط آزاد می‌کند، نه‌تنها احساس بی‌وزنی می‌کند، بلکه بی‌وزن است. بر طبق نظر اینشتین، فرد داخل آسانسور در حال سقوط هیچ نیرویی را احساس نمی‌کند، زیرا هیچ نیرویی بر او وارد نمی‌شود. گرانش بر شخص وارد نمی‌شود، بلکه بر فضا و زمان اطراف او وارد می‌شود. به فضا-زمان اطراف فرد، هندسه فضا-زمان گفته می‌شود. اینشتین بیان کرد گرانش را به عنوان نیرویی جاذبه بین دو جسم با جرم‌های دلخواه فراموش کنید. باید به گرانش به صورت تغییر شکل فضا-زمان، نگاه کنیم.

نیوتن به فضا و زمان به صورت دو کمیت جدا از یکدیگر نگاه می‌کرد. بر طبق دیدگاه نیوتن، هنگامی که جسمی روی خط مستقیم در فضا حرکت می‌کند، به هنگام روبرو شدن با نیرویی به نام نیروی گرانش، از مسیر مستقیم خود منحرف می‌شود. در مقابل، اینشتین معتقد بود فضا و زمان دو کمیت جدا از یکدیگر نیستند، بلکه ارتباط تنگاتنگی با یکدیگر دارند. به این ارتباط تنگاتنگ، فضا-زمان گفته می‌شود. فضا-زمان می‌تواند خمیده شود. هر ماده جرم‌داری، فضا-زمان اطراف خود را خمیده می‌کند.

سقوط آزاد

نمی‌توانیم در مورد فضا، بدون در نظر گرفتن زمان یا در مورد زمان، بدون در نظر گرفتن فضا صحبت کنیم. بنابراین، ماده، نه‌تنها فضا، بلکه زمان را نیز خمیده می‌کند. به این حالت اتساع گرانشی زمان گفته می‌شود. این پدیده یکی از عجیب‌ترین کشف‌های اینشتین در نسبیت عام است. دو ساعت را در دو ارتفاع مختلف نسبت به زمین در نظر بگیرید. ساعتِ قرار گرفته در ارتفاعِ کمتر، به مرکز زمین نزدیک‌تر است. بنابراین، گرانش زمین را بیشتر احساس می‌کند. از این‌رو، عقربه‌های این ساعت نسبت به ساعت قرار گرفته در ارتفاع بیشتر، کندتر حرکت می‌کنند. به بیان دیگر، گرانش، گذر زمان را کند می‌کند.

سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا این مورد را در زندگی روزمره متوجه نمی‌شویم. اگر مورچه‌ نابینایی، روی شاخه انحناداری حرکت کند، متوجه انحنای مسیر رفته نخواهد شد. مورچه آزادانه می‌تواند در هر جهتی که بخواهد روی شاخه حرکت کند، اما هیچ دیدی در مورد حرکت به سمت بالا یا پایین شاخه ندارد. بنابراین، مورچه بعد سوم فضا را از دست داده است. مورچه فکر می‌کند روی مسیری مستقیم حرکت می‌کند، اما ما به عنوان ناظر خارجی می‌دانیم مسیر طی شده توسط او انحنا دارد.

اینشتین معتقد بود انحنای مسیر طی شده توسط مورچه، به صورت نیرو توسط او احساس می‌شود. مثال دیگری را در نظر بگیرید. دو مورچه را روی استوای کدو و در فاصله مشخصی نسبت به یکدیگر قرار دهید. این مورچه‌ها در مسیرهای موازی شروع به حرکت می‌کنند. این‌گونه به نظر می‌رسد که دو مورچه هرگز به هم نمی‌رسند. اما آن‌ها در قطب کدو، یکدیگر را ملاقات خواهند کرد. گویی نیرویی اسرار‌آمیز آن‌ها را به سمت یکدیگر می‌کشاند. هیچ نیرویی وجود ندارد. مورچه‌ها تنها مسیرهای مستقیمی را روی سطح انحنادار، طی می‌کنند.

در نزدیک اجسام کلان جرم، مانند سیاه‌چاله، نه‌تنها انحراف در فضا، بلکه در زمان نیز داریم. بنابراین، گذر زمان با توجه به فاصله از سیاه‌چاله یا هر جسم کلان‌جرم دیگر، تغییر خواهد کرد. اگر در فاصله بسیار زیادی نسبت به سیاه‌چاله قرار داشته باشیم، خمیدگی فضا-زمان تقریبا نامحسوس است. در این حالت، گذر زمان مانند جایی است که خمیدگی فضا-زمان در آنجا زیاد نباشد. هرچه فاصله نسبت به سیاه‌چاله کمتر شود، خمیدگی فضا-زمان بیشتر خواهد شد. در نزدیکی افق رویداد، این خمیدگی به قدری زیاد است که گذر زمان به شدت کند می‌شود. ممکن است یک ثانیه از دید ناظری در نزدیکی افق رویداد، برابر یک سال از دید ناظری دوردست باشد. بنابراین، هر چه فاصله نسبت به منبع جرم، زمین، خورشید یا سیاه‌چاله، کمتر باشد، زمان کندتر می گذرد.

اتساع زمان

دو ناظر را روی زمین در نظر بگیرید. فرض کنید یکی از ناظرها روی زمین و دیگری بالا برج میلاد ایستاده است. با مقایسه ساعت داخلی دو ناظر، مشاهده می‌کنیم که ساعت داخلی ناظری که روی زمین ایستاده است، اندکی آهسته‌تر حرکت می‌کند. زیرا این ناظر به مرکز زمین نزدیک‌تر است. پس از گذشت یک سال، سن فردی که پایین برج میلاد ایستاده است در حدود ‌$$10 ^ {-6}$$ ثانیه کمتر از فردی است که بالای برج قرار دارد. این اتساع زمان بسیار کوچک و نامحسوس اما بسیار مهم است. به هنگام طراحی GPS، باید اتساع زمانی را در نظر گرفت.

 تا اینجا می‌دانیم اتساع زمان چیست و گرانش چگونه گذر زمان را کند می‌کند. در ادامه، در مورد نمودار فضا-زمان اینشتین و اتفاق‌های رخ داده در ان صحبت می‌کنیم.

نمودار فضا-زمان چیست ؟

در مطالب بالا به پرسش زمان چیست از دیدگاه فیزیکی و فلسفی پاسخ دادیم و در مورد اتساع زمان صحبت کردیم. در این بخش، در مورد نمودارهای فضا-زمان برای داشتن تصویری مناسب از نسبیت خاص صحبت خواهیم کرد. در نمودار فضا-زمان، موقعیت جسم را با گذر زمان نشان می‌دهیم. فرض کنید توپ تنیسی روی میز در حالت سکون قرار دارد و فاصله آن از مبدأ دلخواه برابر ۳ متر است. حرکت این توپ نسبت به زمان را می‌توان روی نمودار فضا-زمان نشان داد. از آنجا که توپ تنیس نسبت به زمان حرکت نمی‌کند، نمودار آن به صورت زیر رسم می‌شود.

توپ ساکن

به خط عمود رسم شده در تصویر بالا، خط جهانی گفته می‌شود. خط عمودی نمودار مکان-زمان، به جای t با ct نشان داده شده است. در این حالت، به جای نشان دادن مقادیر زمان روی نمودار، حاصل‌ضرب آن با سرعت نور را نشان می‌دهیم. از این‌رو، دیمانسیون نمودار عمودی با دیمانسیون نمودار افقی یکسان است. توجه به این نکته لازم است که در اینجا به نمودار مینکوفسکی نگاه می‌کنیم. در این نمودار، حرکت جسم یا اجسام مختلف را در یک بعد در فضا در نظر می‌گیریم. چرا نمودار فضا-زمان مفید است؟

برای پاسخ به این پرسش ابتدا به خط جهانی جسمی نگاه می‌کنیم که با سرعت ثابت حرکت می‌کند. اندازه سرعت حرکت جسم مهم نیست. خط جهان این جسم به صورت نشان داده شده در تصویر زیر، خطی مستقیم است. در ادامه، برخی اتفاقات را در این حالت در نظر می‌گیریم و آن‌ها را در نمودار فضا-زمان نشان می‌دهیم. در نسبیت، اتفاق با داشتن چهار مختصات (سه مختصات فضایی و یک مختصات زمانی)، تعریف می‌شود. در این بخش، برای راحتی کار تنها یک بعد از فضا، محور $$x$$، را در نظر می‌گیریم.

خط جهانی جسمی که با سرعت ثابت حرکت می‌کند

روشن شدن لامپ را به عنوان اتفاق در نظر می‌گیریم. لامپ در زمان $$t _ 1$$ روشن می‌شود. در این زمان، لامپ روی محور $$x$$ در نقطه $$x _ 1$$ قرار دارد. در نمودار فضا-زمان، نقطه $$( t _ 1 \, x _ 1)$$ را به صورت نشان داده شده در تصویر زیر، نشان می‌دهیم. در این حالت، هیچ خط جهانی رسم نمی‌کنیم، زیرا در مورد اتفاق روشن شدن لامپ صحبت می‌کنیم. لامپ دیگری را در مکان $$x_ 2$$ در نظر بگیرید که در زمان $$t_2$$ روشن می‌شود. نقطه $$(t _ 2 \, x_ 2 )$$ را نیز در نمودار فضا-زمان نشان می‌دهیم.

نشان دادن اتفاق در نمودار فضا-زمان

چرا نشان دادن اتفاق‌ها در نمودار فضا-زمان مفید است، زیرا در این حالت می‌توانیم ببینیم آیا انتقال اطلاعات یا ارتباط بین دو اتفاق وجود دارد یا خیر. به بیان دیگر، آیا اتفاق اول می‌تواند با ارسال سیگنالی به اتفاق دوم، قبل از رخ دادن آن، سبب رخ دادن آن شود. قبل از پاسخ به این پرسش باید بدانیم که در نظریه نسبیت، سرعت نور حد سرعت حرکت در جهان است و هیچ چیزی نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند. خط جهانی جسمی که با سرعت نور حرکت می‌کند به شکل زیر رسم می‌شود.

حرکت با سرعت نور

اگر جسمی با سرعتی کمتر از سرعت نور حرکت کند، زاویه خط جهانی آن نسبت به محور افقی، بزرگ‌تر از ۴۵ درجه خواهد بود. به مثال لامپ‌ها برمی‌گردیم. آیا اتفاق اول می‌تواند قبل از رخ دادن اتفاق دوم، سیگنالی را به مکان و زمان اتفاق دوم بفرستد؟ یا به بیان دیگر، آیا اتفاق اول می‌تواند سبب اتفاق دوم شود؟ پاسخ به این پرسش، بله است. خط جهانی نور با زاویه ۴۵ درجه را از محل اتفاق اول رسم می‌کنیم. از آنجا که اتفاق دوم، بالای خط جهانی رسم شده از اتفاق یک قرار گرفته است، سیگنالی پس از رخ دادن اتفاق یک به سمت اتفاق دو، قبل از رخ دادن آن، فرستاده می‌شود.

اتفاق های علی

توجه به این نکته مهم است که سیگنال قبل از رخ دادن اتفاق دوم یا به محض رخ دادن آن، به محل $$(t _ 2 \, x_ 2 )$$ می‌رسد. در این حالت می‌گوییم دو اتفاق به طور علی به یکدیگر مربوط می‌شوند. بنابراین، اتفاق یک ممکن است سبب رخ دادن اتفاق دوم شود. اگر اتفاق دوم، پایین خط جهانی نور قرار داشته باشد، دو اتفاق به صورت علی به یکدیگر مربوط نمی‌شوند. در این حالت، اتفاق‌های یک و دو مستقل از یکدیگر هستند و هیچ ربطی به یکدیگر ندارند.

اتفاقی را در نقطه دلخواهی در نمودار فضا-زمان در نظر بگیرید. دو خط با زاویه ۴۵ درجه از این نقطه عبور خواهند کرد، یکی با شیب مثبت و دیگری با شیب منفی. دلیل رسم این خط‌ها به این صورت آن است که اتفاق دوم، با توجه به مکان x در هر طرف آن می‌تواند قرار داشته باشد. قرار گرفتن اتفاق دوم در سمت راست یا سمت چپ اتفاق اول، مهم نیست. قسمت زرد‌رنگ نشان داده شده در نمودار فضا-زمان، آینده را نشان می‌دهد. این بدان معنا است که اتفاق یک می‌تواند با اتفاق دوم ارتباط برقرار کند و دلیل رخ دادن آن باشد.

آینده

شاید از خود بپرسید گذشته در کجای نمودار بالا قرار دارد. گذشته پایین اتفاق یک و در قسمت پایین مخروط قرار دارد. در این حالت، اتفاق دوم ممکن است سبب رخ دادن اتفاق اول شود. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم سرعت نور نه‌تنها حد سرعت حرکت در جهان است، بلکه مقدار آن از دید هر ناظری یکسان خواهد بود. برای آن‌که تمام ناظرها سرعت نور را یکسان به‌دست آورند باید فضا-زمان متفاوتی را نسبت به یکدیگر تجربه کنند. این تفاوت منجر به پدیده‌هایی مانند اتساع زمان می‌شود که در مطالب بالا در مورد ان توضیح دادیم.

نکته جالب دیگر، رسم نمودار فضا-زمان در یک نمودار برای دو چارچوب مرجع متفاوت است. از آنجا که سرعت نور نسبت به تمام چارچوب‌های مرجع یکسان است، فضا-زمان برای هر ناظر در هر چارچوب متفاوت است. فضا-زمان ناظری که نسبت به ما حرکت می‌کند، به صورت زیر رسم می‌شود ( نمودار آبی). هرچه چارچوب مرجع جدید با سرعت بیشتری نسبت به ما حرکت کند، نمودارهای فضا-زمان آن یعنی $$x'$$ و $$ct'$$ بیشتر به یکدیگر نزدیک می‌شوند.

دو ناظر در یک نمودار مکان زمان

در مطالب بالا به پرسش زمان چیست به زبان ساده پاسخ دادیم و در مورد آنتروپی و بردار زمان صحبت کردیم. در ادامه، می‌خواهیم بدانیم رابطه آنتروپی و بردار زمان چیست.

رابطه آنتروپی و بردار زمان چیست ؟

برای آن‌که بدانیم رابطه آنتروپی و بردار زمان چیست، دو تصویر زیر را در نظر بگیرید. در تصویر شماره یک، ساختاری دقیق مانند سیب نشان داده شده است. تصویر شماره دو، ساختار دقیقی ندارد. فرض کنید تصویر سومی را با انتخاب تصادفی رنگ برای هر پیکسل ایجاد می‌کنیم. تصویر ایجاد شده را با دو تصویر قبلی مقایسه می‌کنیم. از بین تصویرهای شماره یک و دو، کدام‌یک شباهت بیشتری به تصویر ایجاد شده دارد؟ به صورت بصری، تصویر ایجاد شده شباهت بیشتری به تصویر شماره دو دارد. دو تصویر، ساختار مشخصی ندارند. اگر تصویر‌های تصادفی بیشتری ایجاد کنیم، بیشتر آن‌ها به تصویر شماره دو شباهت خواهند داشت.

آنتروئی و بردار زمان

احتمال آن‌که تصویر ایجاد شده شباهت زیادی به تصویر سیب داشته باشد، بسیار کم است. به این حالت، آنتروپی گفته می‌شود. آنتروپی تصویر شماره دو بیشتر است، زیرا شباهت بیشتری به تصویر تصادفی ایجاد شده دارد. آنتروپی در کیهان نیز به صورت مشابهی تعریف می‌شود. کیهان، از اتم‌ها ساخته شده است. اتم‌ها می‌توانند چیدمان‌های مختلفی داشته باشند. برخی از این چیدمان‌ها، مانند گاز، همگن هستند، در حالی‌که مابقی آن‌ها، مانند یخ یا سیب، ساختار مشخصی دارند. اگر ساختاری را به صورت تصادفی با انتخاب موقعیت و سرعت هر اتم، ایجاد کنیم، با احتمال زیاد ساختار ایجاد شده ساختاری همگن همانند گاز دارد، تا ساختاری مشخص مانند سیب.

در نتیجه آنتروپی گاز بیشتر است زیرا ساختار آن، ساختاری با بی‌نظمی بیشتر به نظر می‌رسد. توجه به این نکته مهم است که آنتروپی هر جسم، عددی است که تمام حالت‌های ممکن چیدمان جسم را در نظر می‌گیرد. در مقیاس ماکروسکوپی، به دلیل عدم داشتن دقت کافی در اندازه‌گیری و تعداد بسیار زیاد اتم‌ها در مقیاس میکروسکوپی، تفاوت چیدمان‌های مختلف را نمی‌بینیم. گرچه این چیدمان‌ها از نظر تکنیکی با یکدیگر تفاوت دارند، در مقیاس ماکروسکوپی، یکسان به نظر می‌رسند. به دو تصویر نشان داده شده در ادامه توجه کنید.

تصویر دو سیب

اگر به این دو سیب از فاصله بسیار نزدیک نگاه کنیم، متوجه تفاوت رنگ پیکسل‌های تشکیل‌دهنده هر سیب با یکدیگر می‌شویم. از این‌رو، تشخیص آن‌ها از یکدیگر امکان‌پذیر خواهد بود. اما اگر به دو سیب از فاصله دور نگاه کنیم، جزییات هر تصویر از بین می‌روند. در این حالت، دو تصویر کاملا یکسان به نظر می‌رسند. به فیزیک برمی‌گردیم. آنتروپی یخ کمتر از آنتروپی گاز است. زیرا چیدمان‌های بسیاری وجود دارند که شبیه گاز هستند. تعداد چیدمان‌های موردنظر برای یخ بسیار کمتر از چیدمان‌های مختلف گاز است.

به بیان دیگر، آنتروپی تعداد درجه‌های آزاد اتم‌ها را اندازه می‌گیرد. این کمیت به ما می‌گوید آیا جسم نیاز به داشتن چیدمانی دقیق دارد یا میان تعداد زیادی چیدمان، با نگه داشتن شکل ظاهری خود، نوسان می‌کند. مولکول‌های آب در سیستمی با آنتروپی کم، مانند یخ، آزادی زیادی ندارند. در این حالت، مولکول‌ها تنها به تعداد محدودی چیدمان دقیق دسترسی دارند و با سرعت بسیار کوچکی نوسان می‌کنند. به همین دلیل، قطعه یخ دمای بسیار پایینی دارد.

 

در مقابل، در سیستمی با آنتروپی زیاد، مانند بخار آب، مولکول‌های آزادی عمل بسیار بیشتری دارند و می‌توانند به راحتی بین پیکربندی‌های مختلف نوسان کنند. تحرک مولکول‌های در این حالت بسیار زیاد است. از این‌رو، دمای بالایی دارند. به طور شهودی، با استفاده از آنتروپی می‌توان حالت ماده، جامد، مایع یا گاز، را تعیین کرد. به عنوان مثال، هنگامی که آب را به جوش می‌آوریم، آنتروپی سیستم را افزایش می‌دهیم. به بیان دیگر به مولکول‌ها اجازه می‌دهیم رفتار تصادفی از خود نشان دهند. از این‌رو، تغییر حالت از حالتی با آنتروپی کمتر به حالتی با آنتروپی بیشتر رخ می‌دهد.

آنتروپی کمیت بسیار مهمی در فیزیک و شیمی است. از این کمیت برای تعیین حالت ماده استفاده می‌شود. اما همان‌گونه که دیدیم آنتروپی کمیتی بسیار بنیادی است و از آن می‌توان در شاخه‌های مختلف علم استفاده کرد. آنتروپی نقش مهمی در درک ما از زمان، و مهم‌تر از آن جهت انتقال زمان، ایفا می‌کند. برای درک بهتر این موضوع، دو پیکربندی نشان داده شده در تصویر زیر را در نظر بگیرید. در تصویر سمت چپ، بادکنکی پر شده از گازی پرفشار و باز داخل جعبه‌ای قرار داده شده است. تصویر سمت راست حالتی را نشان می‌دهد که در آن گاز داخل بادکنک به طور یکنواخت داخل جعبه پخش شده است.

دو بادکنک داخل جعبه

آیا می‌توانید بگویید کدام جعبه زودتر اتفاق می‌افتد؟ آیا ابتدا گاز وارد بادکنک می‌شود و با گذشت زمان از آن خارج و داخل جعبه پخش می‌شود یا برعکس این حالت اتفاق می‌افتد؟ یعنی گاز، ابتدا داخل جعبه به صورت یکنواخت پخش شده بود و پس از گذشت زمان وارد بادکنک می‌شود. بر طبق تجربه‌های روزمره و به طور شهودی، گاز ابتدا به صورت فشرده داخل بادکنک است و با گذشت زمان از بادکنک خارج و داخل جعبه به صورت یکنواخت پخش می‌شود. بنابراین، به طور شهودی می‌دانیم که سیستم‌های فیزیکی تمایل دارند با گذشت زمان، همگن شوند.

اگر جسمی با دمای بالا را کنار جسمی با دمای پایین قرار دهیم، انتظار داریم دو جسم پس از گذشت مدت زمان مشخصی به دمای تعادلی برسند. این‌گونه به نظر می‌رسد که در حالت ماکروسکوپی، تفاوتی بین دو سیستم وجود ندارد. درک این موضوع که پدیده‌ای فیزیکی در جهتی مشخص، و نه در جهت مخالف، رخ می‌دهد، سخت است. در این نقطه است که نقش حیاتی آنتروپی مشخص می‌شود. در مطالب بالا دیدیم، آنتروپی سیستم‌های همگن بیشتر است. از این‌رو، هنگامی که دو جسم به دمای تعادلی می‌رسند، آنتروپی سیستم افزایش خواهد یافت. از این‌رو، فرایندهای فیزیکی در جهت مشخصی رخ می‌دهند.

هنگامی که به سیستمی اجازه می‌دهیم به صورت خودبه‌خودی متحول شود، آنتروپی آن افزایش می‌یابد. بنابراین، سیستم بیشتر و بیشتر همگن می‌شود. آنتروپی سیستمی ایزوله تمایل دارد با افزایش زمان، افزایش یابد. پشت این اصل قدرتمند، توضیحی بسیار ساده نهفته است. برای درک بهتر این موضوع به ابتدای این بخش و مثال تصویر سیب می‌رویم. در هر لحظه تصور می‌کنیم که هر یک از پیکسل‌های سازنده تصویر سیب به آهستگی نوسان می‌کنند. در این حالت، تحول سیب را با گذشت زمان مشاهده می‌کنیم.

نوسان پیکسل ها

در مقیاس میکروسکوپی، تصویر سیب نوسان می‌کند و به آهستگی از پیکربندی اولیه خود دور می‌شود. با گذشت زمان، پیکسل‌ها از چیدمان‌های مختلفی عبور می‌کنند و به صورت تصادفی از یک پیکربندی به پیکربندی دیگر می‌روند. اما در مقیاس ماکروسکوپی این‌گونه به نظر می‌رسد که تصویر سیب به تدریج محو و همگن می‌شود. این کار تا جایی ادامه می‌یابد که تصویر خاکستری نشان داده شده در ابتدای این بخش، را مشاهده می‌کنیم. همان‌طور که در مطالب بالا دیدیم آنتروپی تصویری با پیکسل‌های تصادفی، زیاد است.

در دنیای ما، اتم‌ها نوسان می‌کنند. بنابراین، توزیع میکروسکوپی آن‌ها به صورت پیوسته نوسان می‌کند و از یک پیکربندی به پیکربندی دیگر می‌رود. اگر به اندازه کافی صبر کنیم، ساختار کیهان دوست دارد به گونه‌ای تغییر کند که بیشتر تصادفی شود. همان‌طور که می‌دانیم ساختارهای تصادفی، همگن هستند. آنتروپی کیهان، گسترش یکسان‌سازی کیهان را با گذشت زمان اندازه می‌گیرد. آنتروپی مفهومی بسیار جالب در فیزیک است. این کمیت، بردار زمان و جهت تکامل کیهان را توضیح می‌دهد.

 

اتم‌ها می‌توانند در پیکربندی‌های متفاوتی قرار داشته باشند. برخی از این پیکربندی‌‌ها مشابه یکدیگر هستند. امروزه، این سوال مطرح می‌شود که آیا کیهان می‌تواند به مکانی کاملا همگن تبدیل شود. از آنجا که آنتروپی همواره افزایش می‌یابد، این‌گونه به نظر می‌رسد که مقدار آن در نهایت بیشینه می‌شود. در این حالت، کیهان به نقطه تعادل می‌رسد و بردار زمان ناپدید می‌شود. تنها نوسانات میکروسکوپی باقی می‌مانند.

آیا افزایش آنتروپی دلیل حرکت زمان به سمت جلو است ؟

در بخش قبل به پرسش رابطه آنتروپی با زمان چیست به زبان ساده پاسخ دادیم. در این بخش، در مورد چرایی حرکت زمان به سمت جلو و نقش آنتروپی صحبت می‌کنیم. از آنجا که تمام قوانین فیزیک نسبت به زمان متقارن هستند، هیچ دلیلی برای نامتقارن بودن زمان وجود ندارد. اما با قاطعیت نمی‌توان در این مورد نظر داد. در مطالب بالا گفتیم رابطه بین آنتروپی و زمان چیست. آنتروپی کمیتی نامتقارن است و تنها در یک جهت حرکت می‌کند، جهت افزایشی. یکی از ویژگی‌های جهان که با زمان تغییر می‌کند، آنتروپی است. ستاره‌شناسی به نام « آرتور ادینگتون» (Sir Arthur Eddington) در قرن بیستم میلادی فرضیه‌ای را مطرح کرد. بر طبق این فرضیه مطرح شده توسط ادینگتون، آنتروپی مسئول حرکت زمان به سمت جلو است.

آرتور ادینگتون
آرتور ادینگتون

آیا زمان واقعا به دلیل افزایش آنتروپی به سمت جلو حرکت می‌کند؟ پاسخ به این سوال خیلی واضح نیست. فرض کنید پاسخ به این سوال مثبت باشد. در این صورت، اگر آنتروپی در قسمتی از جهان کاهش یابد، زمان باید به عقب حرکت کند. به عنوان مثال، آنتروپی داخل یخچال کاهش می‌یابد، زیرا مواد غذایی داخل آن سرد می‌شوند. اما زمان داخل یخچال به عقب برنمی‌گردد. به طور مشابه، آنتروپی زمین به هنگام شب کاهش می‌یابد، اما زمان در شب به عقب نمی‌رود. بنابراین، سوال اصلی آن است که چه عاملی سبب حرکت زمان به سمت جلو می‌شود.

برای پاسخ به این پرسش باید بدانیم چرا آنتروپی افزایش می‌یابد. قوانین فیزیکی دلیل افزایش آنتروپی نیستند. دلیل افزایش این کمیت آن است که کمیت‌های میکروسکوپی راه‌های بیشتری برای بازسازی یا چیدمان خود در آینده نسبت به گذشته دارند. به عنوان مثال، مهره‌ها، ابتدای بازی شطرنج به صورت مرتب روی تخته چیده شده‌اند، اما با گذشت زمان و به هنگام بازی، راه‌های بسیاری برای چیدمان آن‌ها وجود دارد. با گذشت زمان، با احتمال زیاد در حالتی با آنتروپی بیشتر قرار می‌گیریم.

از آنجا که آنتروپی پدیده‌ای آماری است، آیا می‌‌توان گفت گذر زمان نیز کمیتی آماری است؟ این بدان معنا است احتمال حرکت زمان به سمت جلو بیشتر از احتمال حرکت آن به سمت عقب خواهد بود. اگر این‌گونه باشد، حرکت زمان به سمت عقب ممنوع نیست، بلکه از نظر آماری، غیرممکن است. اگر آنتروپی با گذشت زمان افزایش می‌یابد، مقدار آن در لحظه انفجار بزرگ کمینه بوده است. به این مورد، فرضیه گذشته گفته می‌شود. کمینه بودن آنتروپی در آغاز کیهان می‌تواند دلیلی بر حرکت زمان به سمت جلو باشد.

بیگ بنگ

چرا اندازه آنتروپی در لحظه تولد کیهان بسیار کم بود؟ چرا کیهان از حالت بسیار منظم آغاز شد؟ کسی به طور دقیق، پاسخِ این پرسش‌ها را نمی‌داند. شاید این موضوع یک حقیقت یا شاید همانند ثابت‌های جهانی باشد. دو فیزیک‌دان به نام‌های «آلن گوث»‌ (Alan Guth) و «شان کرول» (Sean Carrol) نظر دیگری دارند. بر طبق نظر این دو فیزیک‌دان، اگر حد بالایی برای آنتروپی وجود ندارد، شاید مقدار آن بی‌نهایت باشد. بنابراین، جهان هر کجا آغاز شده باشد، آنتروپی آن در کمترین مقدار ممکن بوده است. آنتروپی هیچ راهی به جر رفتن به حالتی با آنتروپی بالا ندارد.

اگر زمان به سمت جلو حرکت کند (جایی که آنتروپی افزایش می‌یابد)، می‌توان گفت که ما نتیجه قانون دوم ترمودینامیک هستیم. ما در نتیجه افزایش آنتروپی کیهان به وجود آمدیم. اگر کیهان در تعادل گرمایی قرار داشت، ما به وجود نمی‌آمدیم. وجود زندگی، احساسات، زیست و هر آنچه در اطراف ما وجود دارد به دلیل قانون دوم ترمودینامیک است. اگر اطلاعات داخل مغز ما زیاد نمی‌شد، حافظه نداشتیم. افزایش آنتروپی تا میلیاردها و حتی تا تریلیون‌ها سال دیگر ادامه خواهد داشت.

در نقطه‌ای خاص به تعادل گرمایی می‌رسیم. این تعادل گرمایی ممکن است به صورت موضعی رخ دهد. در این حالت، افزایش آنتروپی متوقف می‌شود و همه جا در سکوت فرو می‌رود. آن‌ چیزی که باقی می‌ماند، انرژی خلأ نام دارد. به نوسانات کوانتومی در فضا-زمان، انرژی خلأ گفته می‌شود.

آیا زمان وجود دارد ؟

تا اینجا می‌دانیم زمان چیست و چه اهمیتی دارد. همچنین، در مورد رابطه عمیق زمان و آنتروپی با یکدیگر صحبت کردیم. اما سوال اساسی آن است که آیا زمان وجود دارد؟ قبل از پاسخ به این پرسش، خالی از لطف نیست کمی در مورد جمله «زمان بعد چهارم است» صحبت کنیم. آیا می‌دانید بعد چیست؟ از دید عموم مردم، ابعاد مختلف به معنای وجود جهان‌های موازی است. در اینجا، منظورمان از بعد، ابعاد سه‌بعدی فضا است. بیشتر ما با فضای سه‌بعدی آشنا هستیم. این فضا از سه بعدِ عرض، طول و ارتفاع تشکیل شده است.

فضای سه بعدی

فضای سه‌بعدی اطراف ما است. به بیان دیگر، خود ما در فضای سه‌بعدی قرار داریم. فضای سه‌بعدی را می‌توان در سه جهت عمود بر یکدیگر اندازه گرفت. عمود بودن سه بعد بر یکدیگر بسیار مهم است. جسم در فضای سه‌بعدی می‌تواند به بالا و پایین، چپ و راست و جلو و عقب حرکت کند. آشنایی با فضای سه‌بعدی، تصویرسازی در مورد فضاهای یک و دوبعدی را راحت‌تر می‌کند. به عنوان مثال، صفحه مسطح، فضای دوبعدی و خط مستقیم، فضای یک‌بعدی را می‌سازند. فردی را تصور کنید که در فضای یک‌بعدی در راستای محور $$x$$ زندگی می‌کند. این فرد تنها می‌تواند در راستای این محور به راست یا چپ حرکت کند.

با اضافه کردن محور y به محور $$x$$ و در راستای عمود بر آن، فضایی دوبعدی می‌سازیم. به طور مشابه، با اضافه کردن محور z به محورهای $$y$$ و $$x $$ در راستای عمود بر آن‌ها ، فضایی سه‌بعدی می‌سازیم. تا اینجا توانستیم فضایی سه‌بعدی بسازیم. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که فضای چهاربعدی چگونه ساخته می‌شود؟ چگونه می‌توان محوری را به سه محور قبل اضافه کرد به گونه‌ای که بر تک‌تک آن‌های عمود باشد؟ این حالت، غیرممکن به نظر می‌رسد. البته، به این نکته توجه داشته باشید که در فضای سه‌بعدی غیرممکن است.

بهترین راه برای انجام این کار، رسم تقریبی آن‌ها است. به عنوان مثال،‌ می‌توان تصویر مکعبی سه‌بعدی را روی کاغذی دوبعدی رسم کرد. کار مشابهی را می‌توان در مورد فضای چهاربعدی انجام داد. ریاضی‌دانان تلاش بسیاری برای انجام این کار کرده‌اند. اما نتیجه به‌دست آمده کمی گمراه‌کننده به نظر می‌رسد. شواهد فیزیکی بر این نکته تاکید دارند که بعد چهارم وجود دارد و ما در امتداد آن حرکت می‌کنیم. زمان، همان بعد چهارم است. اینشتین به هنگام اتصال فضا و زمان و تشکیل واحدی به نام فضا-زمان، وجود زمان به عنوان بعد چهارم را پیش‌بینی کرد.

فضای چهار بعدی

چرا نمی‌توانیم زمان را مشاهده کنیم؟ چرا نمی‌توانیم در جهت زمان نگاه کنیم؟ برای پاسخ به این پرسش به تفاوت بین ابعاد فضایی مختلف نگاه می‌کنیم. هنگامی متوجه این تفاوت می‌شویم که به چرخش جسمی دوبعدی در فضای سه‌بعدی توجه کنیم. به ساختن مدلی استاندارد برای نمایش فضای چهاربعدی نزدیک می‌شویم. فضایی سه‌بعدی به شکل استاندارد زیر در نظر بگیرید. هدف ما از ساخت این مدل آن است که فضای سه‌بعدی مکان و یک‌بعدی زمان را در کنار یکدیگر و در مدل ساخته شده قرار دهیم.

دو بعدی و سه بعدی

اجازه دهید سه‌ بعد را به صفحه‌ای دوبعدی، صفحه $$x y$$، فشرده کنیم. نام این صفحه دوبعدی را فضا می‌گذاریم. در این حالت، بردار $$z$$ را برابر زمان قرار می‌دهیم. در این مدل، جهان سه‌بعدی ما به جهانی دوبعدی تبدیل شده است. فردی را در صفحه دوبعدی ساخته شده تصور کنید. با حرکت فرد به سمت بالا، با نرخ ثابت و در راستای محور $$z$$، او در راستای زمان نیز حرکت خواهد کرد. فضای بالای صفحه $$xy$$ زمان آینده و قسمت پایین آن زمان گذشته را نشان می‌دهد. بنابراین، هرچه فرد در راستای محور z بالاتر برود، پیرتر می‌شود.

حرکت در زمان

این‌گونه به نظر می‌رسد که نمی‌توان گذر زمان را آهسته کرد. اما انجام این کار غیرممکن نیست. در مطالب بالا گفتیم اتساع زمان چیست و چه زمانی رخ می‌دهد. هرچه با سرعت بیشتری در فضا حرکت کنیم، با سرعت کمتری در زمان حرکت خواهیم کرد. اتساع زمان را می‌توان به وسیله بردار نیز توضیح داد. زمان را می‌توان توسط برداری متصل به شخص و در راستای مثبت محور زمان نشان داد. با حرکت شخص به سمت راست یا چپ، جهت بردار زمان نیز تغییر خواهد کرد.

برای آن‌که با حداکثر سرعت ممکن به سمت آینده حرکت کنیم، بردار سرعت باید موازی محور زمان و عمود بر صفحه دوبعدی فضا قرار داشته باشد. اگر بردار زمان موازی محور زمان نباشد و زاویه مشخصی با آن بسازد، فرد در راستای محور $$x$$ نیز حرکت خواهد کرد. در این حالت، حرکت در راستای محور $$x$$ منجر به کاهش حرکت در راستای محور زمان خواهد شد. حرکت در فضا به قیمت کاهش سرعت حرکت در زمان، انجام خواهد می‌شود.

حرکت در فضا و زمان

اگر جهت بردار زمان به طور کامل در راستای محور $$x$$ قرار بگیرد، هیچ حرکتی در راستای محور زمان وجود نخواهد داشت. در این حالت، فرد با سرعت مشخصی در فضا حرکت می‌کند، اما سرعت حرکت او در زمان برابر صفر است. در این حالت، بردار برابر سرعت نور یعنی ۲۹۹۷۹۲۴۵۸ متر بر ثانیه است. برای درک اتساع زمان باید با سرعت بسیار بالایی، نزدیک به سرعت نور، حرکت کنیم. نتیجه جالب این مدل‌سازی آن است که از دید فرد دوبعدی، چیزی تغییر نکرده است. او دیدگاه خود در مورد واقعیت را دارد.

از دید این فرد، بردار بیرون آمده از سینه او، هنوز زمان را نشان می‌دهد. مکان برای او صفحه‌ $$xy$$ است، صفحه‌ای که به صورت مسطح روی آن قرار می‌گیرد. از دید او، بقیه جهان رفتار عجیبی از خود نشان می‌دهد، اما خودش کاملا معمولی است. اما به محض آن‌که فرد دوباره جهت‌گیری می‌کند، مشخص می‌شود که بقیه جهان، بدون او، حرکت می‌کنند. این حالت هنگامی واضح‌تر می‌شود که فرد دوبعدی دیگری را به مدل ساخته شده اضافه کنیم.

دو فرد دوبعدی

در ابتدا، هیچ یک از دو فرد در فضا حرکت نمی‌کنند. جهت هر یک از بردارهای متصل شده به دو فرد در راستای محور زمان قرار دارد. مورد عجیبی تا اینجا رخ نداده است. فرض کنید فرد سمت راست بچرخد به گونه‌ای که اندازه بردار چسبیده به او برای لحظه بسیار کوتاهی نزدیک به سرعت نور شود، سپس بچرخد و بار دیگر بردارِ او در راستای محور زمان قرار بگیرد. در تمامِ مدت چرخش بردار چسبیده به فرد سمت راست، هیچ تغییری در راستای بردار فرد سمت راست رخ نداده است. در این حالت، می‌بینیم که دو فرد دوبعدی با نرخ یکسانی در زمان حرکت نکرده‌اند.

فرض کنید دو فرد می‌توانند به گونه‌ای یکدیگر را ببینند. نخستین نکته‌ای که توجه هر فرد را جلب می‌کند، تفاوت سنی بین خود و فرد دیگر است. فردی که با سرعت نور حرکت می‌کند، در مقایسه با فرد دیگر، خیلی در طول زمان به سمت جلو حرکت نکرده است. از این‌رو، فرد سمت چپ جوان‌‌تر از فرد سمت راست به نظر می‌رسد. چرا این مدل قانع‌کننده به نظر می‌رسد؟ دلیل این موضوع به شکل تصویر فرد به هنگام تغییر جهت بستگی دارد.

از دید فرد سمت چپ، در ابتدا تصور فرد سمت راست کاملا معمولی به نظر می‌رسد. اما به محض آن‌که با سرعت زیادی در فضا شروع به حرکت می‌کنند و بردار آن‌ها نسبت به جهت زمان، زاویه می‌سازند، شکل دوبعدی، مسطح بودن خود را نمایش می‌دهد.

مسطح بودن جسم دوبعدی

حالت مشابهی در زندگی واقعی رخ می‌دهد. بر طبق نظریه نسبیت اینشتین، اجسامی که با سرعت بسیار بالایی در فضای سه‌بعدی حرکت می‌کنند، از دید ناظر خارجی، در راستای سرعت خود مسطح به نظر می‌رسند. دلیل این موضوع به اتساع زمان برمی‌گردد. اما از دید جسمی که با سرعت زیاد حرکت می‌کند، این اتفاق برای بقیه جهان رخ می‌دهد، نه خود او. اگر زمان واقعا جهت داشته باشد، سبب درک عمیق ما از جهان می‌شود. همچنین، سوال بسیار مهمی را در ذهن ما ایجاد می‌کند، چه نیرویی سبب جلو بردن ما در زمان می‌شود؟ چرا نمی‌توانیم در خلاف جهت آن حرکت کنیم؟

حرکت با سرعت زیاد در سه‌ بعد

گرچه در مدل مطرح شده دلیلی بر چرایی عدم قرار گرفتن بردار به سمت پایین وجود ندارد، این‌گونه به نظر می‌رسد که این مورد در زندگی روزمره هرگز رخ نمی‌دهد. این مدل همچنین به پرسش‌هایی مانند آیا زمان جهت است و شکل ما در زمان چگونه است، پاسخ می‌دهد. براساس این مدل، در بعد چهارم شبیه پنکیکی مسطح هستیم. این مدل، تنها، نظریه‌ای است که توسط ما مطرح شده است.

دیدگاه‌های مختلفی در مورد وجود یا عدم وجود زمان وجود دارند. فلاسفه سال‌های زیادی در این مورد بحث و دیدگاه‌های مختلفی را در این مورد بیان کرده‌اند. طرفداران وجود زمان معتقد هستند که وجود جهان و تمام فرایندهای داخل آن بدون وجود زمان، امکان‌پذیر نبود. زمان همیشه وجود داشته و دارد و وجود آن تا ابدیت ادامه می‌یابد. این دیدگاه ریشه در مفهوم کیهان‌شناسی دارد که در آن وجود زمان نقش غالب را ایفا می‌کند.

دیدگاه‌های زیادی نیز در مورد عدم وجود زمان وجود دارند. نخستین اشاره در مورد وجود زمان به قرن پنجم قبل از میلاد در یونان باستان برمی‌گردد. خطیبی در آن زمان اعتقاد داشت که زمان تنها مفهوم است، زیرا وجود آن را به صورت فیزیکی نمی‌توان به اثبات رساند. دیدگاه مشابهی در متن‌های مذهبی هندی و بودایی وجود داشت که بر طبق آن، زمان به صورت توهم انسان توصیف شده بود. در بیشتر دیدگاه‌ها در مورد عدم توانایی در اثبات وجود زمان صحبت شده است. بنابراین، به دلیل عدم وجود مدرک کافی در این مورد، زمان را نمی‌توان مفهومی واقعی در نظر گرفت.

 

تا اینجا می‌دانیم رابطه آنتروپی با زمان چیست و بردار زمان را تعریف کردیم. سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا سفر در زمان امکان‌پذیر است یا خیر.

آیا سفر در زمان امکان دارد ؟

پس از پاسخ به پرسش‌های زمان چیست و رابطه آنتروپی با زمان چیست، شاید از خود بپرسید آیا سفر در زمان امکان دارد یا خیر. علم می‌گوید سفر در زمان امکان دارد، ولی نه از طریق راهی که در ذهن ما است. پاسخ به پرسش «آیا سفر در زمان امکان‌پذیر است» یک کلمه است، بله. سفر در زمان یکی از رایج‌ترین موضوع‌های فیلم‌های علمی‌تخیلی است. این عبارت بسیار فریبنده به نظر می‌رسد. در بیشتر فیلم‌های علمی تخیلی، بازیگر فیلم سوار بر ماشین زمان می‌شود و به گذشته یا آینده سفر می‌کند. گرچه انجام این کار در دنیای واقعی غیرممکن به نظر می‌رسد، این نکته را می‌دانیم که ساعت‌ها در ماهواره‌ها و هواپیماها با سرعت متفاوتی نسبت به زمین حرکت می‌کنند.

همه ما در زمان سفر می‌کنیم. به عنوان مثال، بین تولد امسال و سال بعد، یک سال در زمان سفر خواهیم کرد. تمام ما با سرعت تقریبا یکسانی، یک ثانیه بر ثانیه، در زمان سفر می‌کنیم. تلسکوپ فضایی ناسا، جیمز وب یا هابل، نیز به ما این امکان را می‌دهد تا به عقب نگاه کنیم. نور تابش شده توسط کهکشان‌ها و ستاره‌های بسیار دور، پس از مدت زمان طولانی به ما می‌رسد. بنابراین، هنگامی به آسمان توسط تلسکوپ نگاه می‌کنیم، گویی ستاره‌ها و کهکشان‌ها را در زمان‌های بسیار دور تماشا می‌کنیم.

گذر زمان

به هنگام اندیشیدن در مورد عبارت «سفر در زمان» به طور معمول به این فکر می‌کنیم که با سرعتی سریع‌تر از یک ثانیه بر ثانیه در زمان سفر کنیم. این‌گونه به نظر می‌رسد که این سفر در زمان را تنها می‌توان در فیلم‌های علمی‌تخیلی تماشا کرد یا در کتاب‌های علمی‌تخیلی خواند. علم می‌گوید سفر در زمان امکان‌پذیر است.

سفر در زمان چگونه امکام پذیر است ؟

بیش از ۱۰۰ سال قبل، اینشتین نظریه نسبیت خاص را مطرح کرد. او در این نظریه در مورد چگونگی عملکرد زمان و تاثیر سرعت حرکت بر گذر زمان صحبت می‌کند. براساس نظریه نسبیت خاص، زمان و فضا به یکدیگر متصل هستند. بر طبق این نظریه، سرعت نور حد سرعت عالم است و هیچ جسمی نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند. این نظریه چه ربطی به سفر در زمان دارد؟ بر طبق این نظریه، هرچه سریع‌تر حرکت کنید، گذر زمان آهسته‌تر خواهد بود. درستی این نظریه با استفاده از آزمایش‌های تجربی به اثبات رسیده است.

فضا-زمان

به عنوان مثال، در یکی از این آزمایش‌ها، از دو ساعت با زمان کاملا یکسان استفاده شد. یکی از ساعت‌ها در زمین و ساعت دیگر در هواپیما قرار داده شد. سپس، هواپیما در جهت چرخش زمین، پرواز کرد. هواپیما پس از پرواز به دور دنیا، به زمین بازگشت و ساعت‌ها، با یکدیگر مقایسه شدند. ساعت قرار داده شده در هواپیمای سریع‌السیر کمی عقب‌تر از ساعت روی زمین بود. بنابراین، ساعتِ داخل هواپیما کمی آهسته‌تر گذر زمان را نشان می‌داد.

آزمایش مقایسه زمان توسط دو ساعت

آیا می توان از سفر در زمان در زندگی روزمره استفاده کرد ؟

ما نمی‌توانیم از وسیله ای به نام ماشین زمان برای سفر به گذشته یا آینده استفاده کنیم. این مورد تنها در کتاب‌ها و فیلم‌های علمی-تخیلی رخ می‌دهد. اما ریاضیِ سفر در زمان بر چیزهایی که به صورت روزمره استفاده می‌کنیم، تاثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، به هنگام رانندگی یا رفتن به مکان‌های جدید و ناآشنا از GPS برای یافتن مسیر استفاده می‌کنیم. همچنین، دانشمندان ناسا از GPSهای با دقت بسیار بالا برای ردیابی ماهواره‌ها در فضا استفاده می‌کنند. آیا می‌دانید GPS برای کمک به ما برای مسیریابی از محاسبات سفر در زمان استفاده می‌کند؟

ماهواره‌های GPS با سرعت بسیار زیادی در حدود ۱۴ هزار کیلومتر بر ساعت به دور زمین می‌چرخند. به همین دلیل، ساعت‌های ماهواره‌ای GPS در حدودی کسری کوچک‌تر از ثانیه کند می‌شوند. این حالت شبیه آزمایش ساعت در هواپیمای پرسرعت است. توجه به این نکته مهم است که ماهواره‌ها در ارتفاعی در حدود ۲۰۲۰۰ کیلومتر بالاتر از سطح زمین به دور آن می‌چرخند. در این حالت، ساعت‌های ماهواره‌ای GPS در حدود کسری بیشتر از یک ثانیه سریع‌تر کار می‌کنند. در اینجا نظریه اینشتین در مورد انحنای فضا-زمان در نزدیکی میدان گرانشی و کند شدن زمان در حضور این میدان نقش مهمی ایفا می‌کند.

جس پی اس

در ارتفاع ۲۰۲۰۰ کیلومتری از سطح زمین، گرانش زمین بسیار ضعیف می‌شود. به همین دلیل عقربه ساعت‌‌ها در ماهواره‌های GPS نسبت به عقربه ساعت‌های قرار گرفته روی زمین، سریع‌تر حرکت می‌کنند. با ترکیب تاثیر چرخش سریع ماهواره به دور زمین و دور بودن آن از میدان گرانشی، ساعت‌ها در ماهواره‌های GPS زمان را با نرخی کمی بیشتر از یک ثانیه بر ثانیه نشان می‌دهند. خوشبختانه، دانشمندان با استفاده از ریاضیات می‌توانند این تفاوت زمانی را تصحیح کنند. اگر ساعت‌های GPS تصحیح نمی‌شد، مشکلات زیادی به وجود می‌آمد.

آیا کرم چاله ها می‌توانند ما را در زمان به عقب ببرند ؟

نسبیت عام ممکن است شرایط سفر به گذشته را فراهم کند. کرم‌چاله‌ها، تونل‌های نظری هستند که از میان بافت فضا-زمان می‌گذرند و می‌توانند لحظه‌ها و مکان‌های متفاوت در واقعیت را به دیگران وصل کنند. به کرم‌چاله، چاله‌ سفید نیز گفته می‌شود. حدس‌وگمان‌های بسیاری در مورد کرم‌چاله‌ها وجود دارند. اما علی‌رغم آن‌که فضای زیادی را در فیلم‌های علمی‌تخیلی اشغال می‌کنند، هیچ کرم‌چاله‌ای، از هیچ نوعی، در دنیای واقعی کشف نشده است. بر طبق نظر یکی از فیزیک‌دان‌های نظری در دانشگاه اورگان، کرم‌چاله در این نقطه بسیار فرضی است. هیچ‌کس به این موضوع فکر نمی‌کند که کرم‌چاله‌ها در آینده‌ای نزدیک کشف خواهند شد.

کرم چاله

طول کرم‌چاله‌های اولیه در حدود $$10 ^ { - 33 }$$ سانتی‌متر پیش‌بینی شده بودند. قبل‌تر انتظار می‌رفت کرم‌چاله‌ها به قدری ناپایدار باشند که هیچ چیز نتواند در آن‌ها سفر کند. بر طبق مطالعات جدید، ناپایداری کرم‌چاله‌ها صحیح به نظر نمی‌رسد. فیزیک‌دانی به نام «پاسکال کویران» (Pascal Koiran) پیشنهاد داد کرم‌چاله‌ها می‌توانند به عنوان میان‌برهای فضا-زمان فعالیت کنند. مقاله این فیزیک‌دان در ماه اکتبر سال ۲۰۲۱ میلادی به چاپ رسید.

نظریه های مختلف سفر در زمان چیست ؟

در حالی‌که نظریه‌های اینشتین سفر در زمان را مشکل می‌کند، برخی پژوهش‌گران راه‌حل‌هایی ارائه داده‌اند که می‌توانند سفر به گذشته و آینده را ممکن سازند. دو نظریه به نام‌های نظریه استوانه بی‌نهایت و دونات زمان در این رابطه ارائه شده‌اند. هر یک از نظریه‌های مطرح شده در این زمینه نقص بزرگ و مشترکی با یکدیگر دارند،‌ هر یک از نظریه‌های ارائه شده برای سفر در زمان نیاز به میدان گرانشی بسیار قوی دارند. هیچ راهی برای زنده ماندن فرد در اثر کشش و فشار این میدان، وجود ندارد.

نظریه استوانه بی نهایت در سفر به زمان چیست ؟

ستاره‌شناسی به نام «فرانک تیپلر» (Frank Tipler) مکانیزمی به این صورت ارائه داد، شخصی می‌تواند ماده‌ای با جرمی در حدود ۱۰ برابر جرم خورشید را بردارد و آن را به شکل استوانه‌ای بسیار بلند و با تراکم بسیار بالا درآورد. موسسه «اندرسون» (Anderson Institute)، موسسه‌ تحقیقاتی در زمینه سفر در زمان، این استوانه را به صورت «سیاه‌چاله‌ای عبور کرده از کارخانه اسپاگتی» توصیف کرد. پس از چرخش چند میلیارد دوری در دقیقه این اسپاگتی سیاه‌چاله، فضاپیمایی در نزدیکی آن که مسیری مارپیچی بسیار دقیق به دور استوانه را دنبال می‌کند، در منحنی بسته زمان‌مانندی می‌تواند در زمان به عقب سفر کند.

مشکل بزرگی در رابطه با این نظریه وجود دارد. برای آن‌که استوانه بی‌نهایت یا استوانه تیپلر را بتوانیم در دنیای واقعی داشته باشیم، طول آن باید بی‌نهایت باشد یا از ماده‌ای ناشناخته ساخته شود. حداقل تا آینده‌‌ای نزدیک و قابل‌پیش‌بینی، دسترسی به این استوانه خارج از دسترس ما قرار دارد.

استوانه بی نهایت

دونات زمان چیست ؟

فیزیک‌دانی نظری به نام «آموس اوری» (Amos Ori) مدلی را برای ماشین زمان ساخته شده از فضا-زمان منحنی پیشنهاد داد. بر طبق این پیشنهاد، خلأیی به شکل دونات توسط کره‌ای از ماده معمولی، احاطه شده است. این ماشین، خود از فضا-زمان ساخته شده است. چند نکته در مورد مورد این ماشین زمان وجود دارند:

  • بازدیدکنندگانِ گذشته نمی‌توانند به زمان‌هایی قبل‌تر از اختراع و ساخت دونات زمان، سفر کنند.
  • ساخت این ماشین به توانایی ما در دست‌کاری میدان‌های گرانشی بستگی دارد.
دونات زمان چیست

تا اینجا می‌دانیم نظریه‌های مهم مطرح شده در مورد سفر در زمان چیست. در ادامه، برخی از فیلم‌های ساخته شده و کتاب‌های نوشته شده در مورد سفر در زمان را نام می‌بریم:

  • فیلم‌های ساخته شده در زمینه سفر در زمان:
    • سیاره میمون‌ها محصول سال ۱۹۶۸ میلادی
    • سوپرمن محصول سال ۱۹۷۸ میلادی
    • سارقان زمان محصول سال ۱۹۸۱ میلادی
    • ترمیناتور محصول سال ۱۹۸۴ میلادی
    • سری سفر به آینده محصول سال‌های ۱۹۸۵، ۱۹۸۹ و ۱۹۹۰ میلادی
    • پیشتازان فضا ۴: سفر به خانه محصول سال ۱۹۸۶ میلادی
    • ماجراجویی بسیار عالی بیل و تد محصول سال ۱۹۸۹ میلادی
    • اثر پروانه‌ای محصول سال ۲۰۰۴ میلادی
    • رفتن از ۱۳ به ۲۰ محصول سال ۲۰۰۴ میلادی
    • خانه‌ای روی برکه محصول سال ۲۰۰۶ میلادی
    • میان‌ستاره‌ای محصول سال ۲۰۱۴ میلادی
    • چین‌خوردگی در زمان محصول سال ۲۰۱۸ میلادی
    • تنت محصول سال ۲۰۱۸ میلادی
  • کتاب‌های نوشته شده در زمینه سفر در زمان:
    • ماشین زمان نوشته «ولز»‌(H. G. Wells)
    • داستان شهر زمان نوشته «دیانا وین جونز» (Diana Wynn Jones)
    • دزد زمان نوشته «تری پرتچت» (Terry Pratchett)

تا اینجا می‌دانیم زمان چیست و آیا سفر در زمان امکان‌پذیر است یا خیر. در ادامه، به چند سوال فلسفی جالب در مورد زمان پاسخ می‌دهیم.

سوالات فلسفی جالب در مورد زمان چیست ؟

هنگامی که به پاسخ پرسش زمان چیست عمیقا فکر می‌کنیم، به پاسخ واضحی نخواهیم رسید. زمان همواره با هاله‌ای از ابهام و رازهای بسیاری همراه بوده است.

شکل زمان چیست ؟

به مطالعه و تحلیل مشخصه‌های هندسی هر جسمی، شکل یا توپولوژی آن جسم گفته می‌شود. در نگاه ظاهری، زمان تمایل دارد به صورت خطی حرکت کند. از این‌رو، شاید بتوان زمان را به شکل خطی مستقیم نشان داد. زمان تمایل دارد به صورت کاملا مستقیم از نقطه‌ای به نقطه دیگر (از گذشته به زمان حال) حرکت کند. توجه به این نکته مهم است که زمان به حرکت خود تا ابدیت ادامه می‌دهد. از این‌رو، خط نمایش‌دهنده زمان، بی‌پایان خواهد بود.

برخی فیلسوفان معتقد هستند که زمان، از آغاز تاکنون، نمی‌تواند توسط یک خط نشان داده شود. هر لحظه از زمان می‌تواند در انزوای کامل نسبت به دیگر لحظه‌های زمانی قرار داشته باشد. به گونه‌ای که به جای یک خط مستقیم و تک، چندین جریان زمانی داریم. در مقابل، طرفداران افلاطون معتقد هستند زمان مستقل از تمام اجسام دیگر است. بنابراین، نمی‌توان برای زمان شکل یا توپولوژی خاصی را در نظر گرفت. حتی، انجام این کار ضرورتی ندارد. تمدن‌های قدیمی مانند مایاها، زمان را خطی در نظر نگرفتند. بر طبق نظر آن‌ها زمان به شکل دایره‌ای حرکت می‌کند.

شکل زمان چیست

منشأ زمان چیست ؟

این پرسش به چگونگی تعیین شکل زمان توسط ما مربوط می‌شود. اگر حرکت زمان را به شکل دایره‌ای در نظر بگیریم، منشأ زمان قابل ردیابی است. زیرا نقطه پایان ‌و آغاز یکسان است. اما، نمایش دایره‌ای زمان محدودیت‌های مختلفی دارد. یکی از مهم‌ترین محدودیت‌ها آن است که دایره به عنوان شکلی هندسی، ابتدا یا انتها ندارد. بنابراین، یافتن نقطه آغاز تقریبا غیرممکن خواهد بود. در مقابل، اگر حرکت خطی زمان را بپذیریم،‌ احتمالا به دو حالت می‌رسیم:

  • در حرکت خطی زمان، تنها می‌توانیم به جلو حرکت کنیم، زیرا خط زمان می‌تواند در همین جهت خاص ادامه داشته باشد. در این حالت، علی‌رغم امکان نگاه به گذشته، در واقعیت نمی‌توانیم به عقب بازگردیم. در چنین حالتی، تعیین منشأ زمان امکان‌پذیر نیست. 
  • به علاوه، ارسطو نظر جالبی در مورد منشأ زمان در حرکت خطی آن دارد. بر طبق نظر ارسطو، خط زمان هرگز نمی‌تواند نقطه‌ای تحت‌عنوان مبدا ثابت داشته باشد. برای ردیابی منشأ زمان، باید نخستین لحظه در زمان مشخص شده باشد. 

آیا مفاهیم گذشته، حال و آینده، واقعی هستند ؟

در مطالب بالا و به هنگام پاسخ به پرسش زمان چیست، کمی در مورد این سوال صحبت کردیم. تقسیم‌بندی زمان به گذشته، حال و آینده سبب می‌شود به اتفاقات رخ داده در جهان آسان‌تر، نگاه کنیم. با گذشت زمان، زمان حال به گذشته تبدیل می‌شود و بخشی از آینده به زمان حال تبدیل می‌شود. بنابراین، در هر لحظه از زمان، تمایل به روبرو شدن با زمان حال و نه گذشته یا آینده، داریم. فلاسفه دیدگاه‌های بسیار منحصربه‌فردی در مورد تقسیم‌بندی زمانی دارند.

تاکنون، حال‌گرایی یکی از محبوب‌ترین و پذیرفته‌ شده‌ترین دیدگاه‌ها در این زمینه است. بر طبق این دیدگاه، تنها زمان حال، واقعی است، زیرا در لحظه‌های آن زندگی می‌کنیم. دیدگاه مقابل حال‌گرایی، ابدیت نام دارد. بر طبق این دیدگاه، زمان‌های گذشته، حال و آینده، واقعی هستند. اتفاقات رخ داده یا اتفاقاتی که در شرف رخ دادن قرار دارند، کاملا واقعی هستند.

حال گرایی و ابدیت

جمع‌بندی

در این مطلب، به پرسش زمان چیست به زبان ساده پاسخ دادیم. دیدگاه‌های فیزیکی و فلسفی را در مورد زمان بررسی کردیم. همچنین، در مورد سفر به گذشته و آینده صحبت کردیم. پس از خواندن این مطلب می‌دانیم:

  • زمان چیست و دیدگاه فلسفه و فیزیک نسبت به آن چگونه است.
  • رابطه میان آنتروپی و زمان چیست.
  • اتساع زمان چیست و گذر زمان چه رابطه‌ای با سرعت حرکت در فضا دارد.
  • سفر در زمان چگونه است و اینکه آیا از نظر علمی این سفر امکان‌پذیر است یا خیر.
  • واحدهای اندازه‌گیری زمان چیست.
  • زمان در نزدیکی میدان گرانشی چگونه می‌گذرد.
  • منشأ زمان چیست.
  • شکل زمان چیست و چه دیدگاه‌هایی در این مورد وجود دارند.
بر اساس رای ۳۴ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
مجله فرادرس
۸ دیدگاه برای «زمان چیست؟ – توضیح مفهوم در فیزیک به زبان ساده»

گر چه مقدار كمي از مطالب را فهميدم اماهمانمقدار بسيار گرانقيمت بود ود در مجموع عليرغم اينكه كم استفاده ميكردم اما بقدري جذاب بود كه تا انتها خواندم

سپاس از نویسنده دانشمند. خیلی مفید و منسجم نوشته شده است، ولی در کل شاید بتوان انسجام مطالب را باز هم بیشتر کرد تا فهم بیشتر آن توسط خواننده عادی راحت تر شود.

سلام
یک سوال داشتم، اونم اینکه اگر آنتروپی ساخته ذهن ما باشه چی؟
این ما نیستیم که تعیین می‌کنیم که چه چیزی ناهنجاریه و چه چیزی خوبه و منظم، نظم رو ما تعریف کردیم اما شاید برای طبیعت اینایی که ما در نظر گرفتیم مهم نباشن و مثلا یک اتاق پر ا آشغال ارزش برابری با یک اتاق طلا داشته باشه.

خیلی عالی بود .
میشه گفت یه پایان نامه ارشد نوشتی!!
دمت گرم

عالی بود . ممنون

جامع و کامل بود. ممنون که بابت ارایه این مطالب زحمت کشیدید.

عالی، بابت زحمتی که کشید و مطالب رو به طور شمرده و عمومی توضیح دادید خیلی ممنون.

سلام وقت بخیر واقعا خیلی عالی و کامل بود ممنون بابت همه زحمت هاتون

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *