بخش  چهارم: علمِ زمان – گفتار نخست: فيزيک زمان

بخش چهارم: علمِ زمان

گفتار نخست: فیزیک زمان

1. علم فیزیک مدرن، به دلیل دلالت‌‌های معنایی ناآشنا، تفسیرهای دور از ذهن، و استنتاج‌‌های گاه تناقض‌‌آمیزی که برای مفاهیم آشنا و نزدیکی مانند مکان و ذره و موج دارد شهرت یافته است. این نکته که در شمار، ابعاد برسازنده‌‌ی هستی با آن سه بعدِ آشنا یا چهار بعدِ روشن‌‌فکرانه‌‌ای که همه‌‌ی ما درکش می‌‌کنیم متفاوت است؛ این که شالوده‌‌ی ذرات زیر اتمی و اندرکنش‌‌های آنها به رخدادهایی با ابعادی بسیار بسیار خرد زمانی و مکانی مربوط می‌‌شود؛ و این که بسیاری از قواعد حاکم بر تجربه‌‌های روزانه‌‌ی ما در این ابعاد مصداق ندارند، اموری هستند که برای هر شیفته‌‌ی علم و هر دانشجوی تازه‌‌کار فیزیک به قدر کافی روشن هستند. با وجود این، آنچه معمولاً کمتر مورد توجه قرار می‌‌گیرد، این حقیقت است که در جریان بازتعریف خشت‌‌های مفهومی ضروری برای فهم فیزیکی گیتی، مفهوم زمان بیش و پیش از سایر مفاهیم دستخوش تغییر شده است. شاید زمان را بتوان کلیدی دانست که واسازی مفاهیم آشنای روزانه‌‌ی ما در جهان فیزیک جدید از آن‌‌جا آغاز می‌‌شود.

تا پیش از قرن بیستم و قبل از آن که چارچوب نظری مکانیک کوانتوم تکامل یابد، برداشت فیزیك‌‌دانان از مفهوم زمان با همان «وقت» آشنا و ملموسِ روزانه سازگار بود. در آن هنگام، زمان در قالب مکانیک کلاسیک فهمیده می‌‌شد. یعنی همان شیوه‌‌ای که نیوتون – البته با نبوغی درخشان – برای صورت‌‌بندی رخدادهای آشنا و معمولی پیرامون ما ابداع کرده بود. نیوتون در بخشی مشهور از کتاب تاریخ‌‌سازِ مبانی ریاضیات – یا اگر بخواهیم اسم کاملش را بگوییم، در «اصول ریاضیاتی فلسفه‌‌ی طبیعی و نظامِ جهانی آن» – زمان و فضای مطلق را به عنوان کمیت‌‌هایی انتزاعی و مستقل از سایر چیزها تعریف می‌‌کند. از دید نیوتون، زمان و مکان دو نوعِ متفاوت دارند^[1]. نوعی که بسته به ضرباهنگ رخدادها یا اندازه‌‌شان تعریف می‌‌شود و بنابراین خصلتی نسبی و سیال دارد، و نوعی دیگر که نیوتون آن را با صفاتی مانند مطلق، راستین، و ریاضی مورد اشاره قرار می‌‌دهد، و همان است که هم‌‌چون محورهایی انتزاعی و خودبسنده، مستقل از محتوای مادی‌‌شان، وجود دارد و زمان و مکان نسبی در دل آن بر ساخته می‌‌شوند.

برداشت عادی و ملموس نیوتون از زمان، که صورت‌‌بندی علمی زمانِ خطی، شمارش‌‌پذیر، و جهت‌‌دارِ رایج در ادیان سامی بود، برای مدتی به نسبت طولانی بر سپهر اندیشه‌‌ی دانشمندان حاکم بود و امروزه نیز گذشته از حوزه‌‌ای کوچک – که به نظریه‌‌پردازی‌‌های دقیق فیزیك‌‌دانان مربوط می‌‌شود – هم‌‌چنان کلید سازماندهی زندگی روزانه‌‌ی آدمیان در جوامع مدرن است.

برداشت نیوتونی از زمان، چند عنصر اصلی داشت که با وجود بدیهی و پیش‌‌ پا افتاده نمودنش، باید بر آنها تأكید کرد:

– نخست آن که زمان امری مطلق بود. یعنی کمیتی ثابت، تغییرناپذیر، و مستقل از محتوای مادی یا رخدادی‌‌اش تلقی می‌‌شد. یعنی این که زمان بر چه چیزی گذر می‌‌کند، و چه رخدادی در جریان آن واقع می‌‌شود، اثری بر محور زمان نداشت.

– دوم آن که زمان از دید نیوتون یک «محور» بود. یعنی راستایی کمیت‌‌پذیر و عینی بود که چیزها در مسیر آن به شکلی یک‌‌سویه «حرکت می‌‌کردند».

– از این رو، سومین ویژگی نتیجه می‌‌شد، که عبارت است از نامتقارن بودن محور زمان. حرکت چیزها و رخدادها در زمان در جهتی جبری و معلوم انجام می‌‌پذیرد، و ضرباهنگ و سرعتی یکسان هم دارد.

– چهارمین ویژگی زمان که از همین جا ناشی می‌‌شود، آن است که محلِ رخدادها و چیزهای عینی بر محور زمان – مقطعِ حال یا اکنون – که یک‌‌سویه بودنِ جریان زمان را نمایندگی می‌‌کند، بین دو پاره‌‌ی نامتقارن از این محور تمایز قایل می‌‌شود. این عدم تقارن تنها به جهت حرکت چیزها بر این محور منحصر نیست، بلکه به درجه‌‌ی قطعیت رویدادها هم مربوط می‌‌شود. اکنون، گذشته‌‌ای را که رخدادهای آن قطعیت دارند و یک‌‌بار برای همیشه رخ داده‌‌اند، از آینده‌‌ای غیرقطعی و پیش‌‌بینی‌‌ناپذیر جدا می‌‌کند.

به این ترتیب، زمان در مکانیک کلاسیک با این چهار ویژگی تعریف می‌‌شد: مطلق بودن، محورگونگی و راستا داشتن، و نامتقارن بودن که این آخری دو ویژگی حرکت یکسویه و قطعیت‌‌یافتگی برگشت‌‌ناپذیر را نتیجه می‌‌داد.

مدل نیوتونی در مورد فضا و زمان مطلقی که حرکت ماه به دور زمین در آن به صورت روندی یکسویه و برگشت‌‌ناپذیر بازنموده می‌‌شد

تمام ویژگی‌‌های یادشده از نگاهی به زمان برخاسته بودند که آن را به مثابه «محوری برگشت‌‌ناپذیر» در نظر می‌‌گرفت. فهم زمان هم‌‌چون راستایی یک‌‌سویه و جاده‌‌ای یک طرفه، البته، پیشینه‌‌ای طولانی داشت و به زودی خواهیم دید که یکی از اشکال رایج برای فهم مفهوم زمان در تمدن‌‌های کشاورزی پیشامدرن بر محور همین عنصر بنیادی شکل گرفته بود. با وجود این، نیوتون نخستین کسی بود که این برگشت‌‌ناپذیری و نامتقارن بودنِ زمان را در کنار محورگونگی و راستا داشتنش در قالبی ریاضی تعریف کرد.

این که چرا تعریفِ امری به ظاهر چنین بدیهی تا زمان نیوتون و قرن هفدهم به تأخیر افتاده بود، از یک خصلت عام و شگفت‌‌انگیز علم ناشی می‌‌شود که عبارت است از «انتخابگری تصادفی». از دید نگارنده اگر به تاریخ رشد علوم گوناگون و الگوی جذب و صورت‌‌بندی رخدادها و مفاهیم در علم بنگریم، می‌‌بینیم که نوعی انتخابگری تصادفی در آن به چشم می‌‌خورد. چه بسا که علمِ رسمی مفهومی بسیار بنیادی و نزدیک و ملموس را برای مدتی بسیار طولانی وا نهاده، و چه بسا که مفهومی دور از ذهن و استثنایی و ویژه را با تمرکز و توانِ بسیار وارسی کرده باشد. یک نمونه‌‌ی مشهور از آن، اکسیژن است که با وجود تجربه‌‌ی روزانه‌‌ی بسیار ما در مورد غلظت هوا، آلودگی هوا، خفه شدن در زیر آب، و حبس نفس، تا زمان لاوازیه به شکلی علمی «کشف» نشده بود. این در حالی است که پدیداری تقریباً کمیاب و نادر مانند آذرخش یا آهن‌‌رُبا – به دلایلی عمدتاً اسطوره‌‌شناختی – از دیرباز موضوع گمانه‌‌زنی علمی و بررسی و نظریه‌‌پردازی اندیشمندان بوده است. در واقع، با وجود تفاوت معناداری که در میان شواهد مربوط به این دو موضوع وجود دارد، ربط اکسیژن با سازواره‌‌های زنده، بسیاری دیرتر از رابطه‌‌ی مغناطیس/ برق با بدن جاندار در مرکز توجه دانشمندان قرار گرفت و صورت‌‌بندی شد.

به همین دلیل، گویا الگوی توجهِ سیستم علم به پدیدارها، بیش از آن که از منطقی درونی و منظم و مبتنی بر اهمیت عینی رخدادها و پدیده‌‌ها پیروی کند، محصول شرایطی پیش‌‌بینی‌‌ناپذیر، کاتوره‌‌ای، و موضعی است که دانشمندان در آن می‌‌اندیشند و بر اثر آن چیزی را جذاب و مهم می‌‌پندارند.

از همین روست که حرکتِ برگشت‌‌ناپذیرِ زمان، با وجود بدیهی نمودنش، تا زمانی که نیوتون حرکتِ برگشت‌‌پذیرِ اشیای مادی را صورت‌‌بندی کرد به طور ریاضی بیان نشد. پس از آن هم، همواره حرکت زمان بر مبنای استعاره‌‌های مکانی فهمیده می‌‌شد.

2. نگرش نیوتونی، چنان که گفتیم، تا همین امروز چیرگی خود را بر برداشت ذهنی ما از مفهوم زمان حفظ کرده است. با وجود این، از اواخر قرن نوزدهم اندیشه‌‌هایی جدید در فیزیک راه یافت که امکان صورت‌‌بندی مجدد این مفهوم را فراهم آورد. این اندیشه‌‌ها، در ابتدای کار، بیشتر در کارِ دقیق‌‌تر ساختن و صیقل زدن به همان برداشت نیوتونی بودند. از همین تلاش‌‌ها بود که مفهوم ترمودینامیکی زمان زاییده شد.

در سال 1852 میلادی بود که ویلیام تامسون، در مقاله‌‌ای برای نخستین بار رابطه‌‌ی محور زمان با نظم را مورد اشاره قرار داد. او در این مقاله نوشت^[2]: «طبیعت به انتشار و اتلاف انرژی مکانیکی گرایش دارد.»

پانزده سال بعد، رودولف کلاوسیوس برای اولین بار همین حرف را به شکلی علمی صورت‌‌بندی کرد^[3] و مفهوم تعادل را به عنوان مبنای فهمِ گذر زمان معرفی کرد. از دید او، وضعیتی به نام تعادل وجود دارد که اتلاف انرژی و گرایش ذاتی طبیعت به سوی آن است، و از این روست که محور زمان در مورد رخدادهای مکانیکی چنین نامتقارن می‌‌نماید. در واقع، بر اساس دیدگاه‌‌های همین دانشمندان بود که دیدگاه مکانیکی نیوتون توانست با مفهوم تعادل ترکیب شود و نظریه‌‌ی کینِتیک گازها^[4] را نتیجه دهد؛ نظریه‌‌ی مشهوری که گرما را هم‌‌چون حرکت مولکول‌‌ها تفسیر می‌‌کرد و از این رو دمای یک گاز را با دامنه و نوع حرکت مولکول‌‌های آن هم‌‌ارز می‌‌گرفت. این همان مدلی است که امروزه ما نیز گرما را بر اساس آن می‌‌فهمیم.

چند سال بعد، جیمز کلرک ماکسول متنِ بسیار اثرگذار خود را به نام درباره‌‌ی نظریه‌‌ی دینامیک گازها منتشر ساخت و این صورت‌‌بندی را کامل کرد. بعد از آن، دیگر مانعی نظری برای صورت‌‌بندی قوانین ترمودینامیک وجود نداشت. کسی که این گام نهایی را برداشت و مفاهیم کلیدی برای صورت‌‌بندی این قوانین را معرفی کرد، بولتزمان بود. بولتزمان مولکول‌‌های گاز را بر اساس سرعتی که داشتند، به چند رده‌‌ی متفاوت تقسیم کرد، و این پیش‌‌فرض را پذیرفت که صرف نظر از آرایش اولیه‌‌ی سرعت‌‌ها در مولکول‌‌های یادشده، سیر کلی اندرکنش آنها با هم به سمتی پیش خواهد رفت که توزیع دما در کل گاز به تعادل برسد. بولتزمان، به این ترتیب، مفهوم تعادل را از کلاوسیوس وام گرفته و آن را با مفهوم آماری حرارت ترکیب کرده بود. بولتزمان برای نشانه_‌‌گذاری این تعادل کمیتی به نام E را معرفی کرد. این کمیت در وضعیت تعادل مورد نظر ماکسول، به کمینه‌‌ی مقدار خود می‌‌رسید. این بدان معنا بود که بر اساس نظر بولتزمان، اندرکنش مولکول‌‌ها با هم به کاسته شدنِ مداوم از مقدار E منجر می‌‌شد. از اینجا تا تعریف ترمودینامیکی آنتروپی، تنها یک گام فاصله بود و آن را هم خودِ بولتزمان طی کرد. او –E را آنتروپی نام نهاد، و آن را به مثابه «بی‌‌نظمی» تعریف کرد، و فرض کرد که این مقدار در واکنش‌‌های شیمیایی، به شکلی یک‌‌سویه، زیاد می‌‌شود. و این نقطه‌‌ی شروع علم ترمودینامیک بود.

کل ساختمانِ علم ترمودینامیک، بنایی است که بر پایه‌‌ی چند شاه‌‌ستونِ اصلی تکیه کرده است. این ستون‌‌ها، قوانین ترمودینامیک خوانده می‌‌شوند. قوانین یادشده، از نظر منطقی بسیار ساده و بدیهی می‌‌نمایند. مثلاً قانون صفر ترمودینامیک چنین می‌‌گوید که اگر دو سیستمِ آ و ب از نظر حرارتی با هم در تعادل باشند، و دو سیستم ب و پ هم چنین وضعیتی داشته باشند، آن‌‌گاه دو سیستم آ و پ هم با هم در تعادل گرمایی خواهند بود. چنان که می‌‌بینید، این در واقع بیانی حرارتی از اصل منطقی این‌‌همانی است.

دومین قانون ترمودینامیک، که بیانی عام‌‌تر از همان اصل بولتزمان است، چنین می‌‌گوید که سیستم‌‌های بسته به مرور زمان به سوی بی‌‌نظمی (آنتروپی) میل می‌‌کنند. این بدان معناست که رفتار چنین سیستم‌‌هایی بر اساس متغیری ثابت و عام به نام زمان به شکلی یکسویه و برگشت‌‌ناپذیر دگرگون می‌‌شود. با یک مثال ساده و مشهور می‌‌توان رابطه‌‌ی زمان و آنتروپی را نشان داد.

فرض کنید در یک اتاق شیشه‌‌ای عطر داشته باشیم و درِ آن را گشوده باشیم. در چنین وضعیتی تراکم مولکول‌‌های عطر در یک نقطه‌‌ی خاص از اتاق – درون شیشه – نشانگر وجود شکلی از نظم است. اتاقی که در آن مولکول‌‌های عطر در کنار هم و مولکول‌‌های هوا در کنار هم قرار گرفته‌‌اند، اتاقی منظم است و محتوای اطلاعاتی‌‌اش از اتاقی که مولکول‌‌های یادشده در آن به شکلی نامنظم و درهم برهم قرار گرفته باشند، بیشتر است. قانون دوم ترمودینامیک به ما می‌‌گوید که این سیستم (اتاقِ حاوی شیشه‌‌ی عطر) در گذر زمان از حالت منظم اولیه به سوی وضعیتی نامنظم پیش خواهد رفت. آنچه در این میان افزایش می‌‌یابد بی‌‌نظمی اتاق است که در ترمودینامیک با عنوان آنتروپی شناخته می‌‌شود. آنتروپی در واقع همان –E است که شرحش را دیدیم.

بر این مبنا، تعریف ترمودینامیکی زمان، بر الگوهایی از رفتار مبتنی است که در سیستم‌‌های ساده دیده می‌‌شود. بخش مهمی از سیستم‌‌هایی که در پیرامون ما وجود دارند، نظام‌‌هایی ساده هستند که از شمار زیادی از عناصرِ به نسبت ساده تشکیل یافته‌‌اند. عناصری که رفتارشان تقریباً تصادفی به نظر می‌‌رسد، اما برآیند رفتارهای سطح خُردشان بر مبنای قواعدی کلان پیش‌‌بینی‌‌پذیر است. بررسی دگردیسی انرژیایی این سیستم‌‌ها، ستون فقرات علم ترمودینامیک را تشکیل می‌‌دهد. برداشت ترمودینامیکی از زمان، به تعبیری ادامه‌‌‌‌ی آماری‌‌شده و حرارت‌‌مدارِ مکانیک نیوتونی بود.

3. صورت‌‌بندی مفهوم زمان در قالب قانون دوم ترمودینامیک – که از معدود قوانینِ فیزیکی دارای متغیری نامتقارن (زمان) است – زمینه را برای فهم پیچیده‌‌ترِ محور زمان فراهم آورد. قانون دوم ترمودینامیک، در حالت اولیه‌‌ی خود برای صورت‌‌بندی جریان یافتن گرما در سیستم‌‌های بسته تدوین شده است. با وجود این، شواهدی فراوان وجود دارد که نشان می‌‌دهد این قاعده دست‌‌کم در مورد برخی از سیستم‌‌های باز درست نیست. در این سیستم‌‌ها، بر خلاف مثالِ اتاق و شیشه‌‌ی عطر، گذر زمان به کاهش یافتنِ بی‌‌نظمی و افزایش نظم منتهی می‌‌شود. مثلاً وقتی به بدن مجروح یک انسان یا بذر یک گیاه نگاه می‌‌کنیم، می‌‌بینیم که با مرور زمان مقدار نظم درونی‌‌شان را زیاد می‌‌کنند. زخم بهبود می‌‌یابد و بذر به گیاه تبدیل می‌‌شود و مغز یاد می‌‌گیرد و این‌‌ها همه با انباشت اطلاعات و منظم‌‌تر شدنِ سیستم همخوان است.

برای مدت‌‌ها، پدیدارهای پیچیده‌‌ای مانند زندگی هم‌‌چون مثال‌‌هایی نقض برای قانون دوم ترمودینامیک یا دست کم مشکلی بر سر راه عمومی شدن این قانون تلقی می‌‌شدند. اما امروزه روش‌‌هایی وجود دارد که می‌‌توان به کمک‌‌شان هم‌‌خوانی قانون دوم ترمودینامیک با رخدادهای هم‌‌افزای جاری در سیستم‌‌های خودسازمانده را نشان داد^[5]. در اینجا سرِ آن نداریم که به شرح ریزه‌‌کاری‌‌هایی که این سازگاری را ممکن می‌‌کنند، بپردازیم، تنها این نکته برایمان اهمیت دارد که در مورد سیستم‌‌های پیچیده، چنین می‌‌نماید که شکلی متمایز و نوظهور از «گذر زمان» را می‌‌توان تعریف کرد که بر مبنای انباشت و افزون شدن اطلاعات – و نه زوال و پراکندگی آن – مبتنی باشد. این را تعریف تاریخچه‌‌ای از زمان می‌‌نامند.

تاریخچه، ردپای زمان بر سیستم است. الگویی از دگرگونی‌‌ها و مجموعه‌‌ای از پویایی‌‌ها که سیستم را از وضعیت اولیه‌‌ی خود – بر نقطه‌‌ای در محور زمان – تا وضعیت کنونی آن – بر محور حال – منتقل کرده، در قالب تاریخچه در ساختار آن رسوب می‌‌کنند.

هر چند قانون دوم ترمودینامیک با مشاهده‌‌ی افزایش اطلاعات در سیستم‌‌های هم‌‌افزا تعارضی ندارد، اما مفهوم زمانی که از این دو بر می‌‌آیند، با هم تفاوت‌‌هایی بنیادی دارند. این تفاوت‌‌ها را می‌‌توان به این ترتیب خلاصه کرد:

الف) تعریف ترمودینامیکی از زمان، بر مشاهده‌‌ی عمومی و آماری‌‌ای در سیستم‌‌های ساده تکیه کرده است که می‌‌توان رفتارشان را در قالب رخدادهایی آماری و کاتوره‌‌ای صورت‌‌بندی کرد. در کل، تعریف ترمودینامیکی بر اساس قوانینی استوار شده است که در حالت عام به سیستم‌‌های بسته منسوب می‌‌شوند. در برابر، مفهوم تاریخچه‌‌ای بر اساس مشاهده‌‌ی رفتار سیستم‌‌هایی پیچیده و خودسازمانده‌‌ای متکی است که باز هستند و پویایی پیچیده‌‌ی ماده، انرژی و اطلاعات درونی آنهاست که «تاریخچه»‌‌شان را برمی‌‌سازد. به عبارت دیگر، روش تاریخ‌‌مدارانه زمان را بر مبنای سیستم‌‌های پیچیده‌‌ای تعریف می‌‌کند که امکان انباشت اطلاعات و تجربیات را در خود دارند.

ب) نامتقارن بودنِ مفهوم زمان در تعریف ترمودینامیکی، بر اساس اصل آنتروپیک تعریف می‌‌شود که آن نیز خود بر مفهوم بی‌‌نظمی و آشفتگی تمرکز یافته است. در حالی که در تعریف تاریخچه‌‌ای، افزایش نظم و زیاد شدن اطلاعات و رشد سازمان‌‌یافتگی است که ردپای زمان را نشانه‌‌گذاری می‌‌کند. به تعبیر ساده‌‌تر، تعریف ترمودینامیکی بر اساس افزایش بی‌‌نظمی و تعریف تاریخچه‌‌ای بر اساس افزایش نظم در گذر زمان استوار شده‌‌اند. اولی به پراکندگی اطلاعات و کاهش محتوای اطلاعاتی سیستم‌‌ها اشاره می‌‌کند و دومی افزایش تراکم اطلاعات در سیستم‌‌ها را بیان می‌‌دارد.

پ) تعریف ترمودینامیکی در تاریخ علم زودتر صورت‌‌بندی شده، و اصلی بنیادین در علم امروزین ما محسوب می‌‌شود. در مقابل، تعریف تاریخچه‌‌ای به تازگی در قالب نظریه‌‌ی سیستم‌‌های پیچیده و مدل‌‌های هم‌‌افزایانه صورت‌‌بندی شده است و اصلی زیربنایی در قوانین فیزیکی محسوب نمی‌‌شود.

ت) تعریف ترمودینامیکی و تاریخچه‌‌ای از زمان، به دو سویه‌‌ی مکمل و ناهمخوان از زمان دلالت دارند. تعریف ترمودینامیکی مشاهده‌‌ی آشنایی را صورت‌‌بندی می‌‌کند که به زوال و فساد و از هم پاشیدگی چیزها در گذر زمان مربوط می‌‌شوند. در حالی که تعریف تاریخچه‌‌ای با مشاهده‌‌ی روزانه‌‌ی ما از افراد و اشخاص و نهادهای اجتماعی و برداشت شهودی‌‌مان در مورد گذر زمان همخوانی بیشتری دارد.

تلاش‌‌های زیادی برای آشتی دادنِ دو تعریف ترمودینامیک و تاریخ‌‌مدار از زمان صورت گرفته است که در برخی از موارد به انکار زمان و جستجوی راهبردهایی برای توضیح دادنِ آن به عنوان یک توهم روش‌‌شناختی منتهی شده است. پاسخ کلاسیک به این مسأله از دید فیزیك‌‌دانانی مانند امیل بورل آن است که بسته نبودنِ سیستم‌‌های فیزیکی، به معنای آن است که هیچ سیستمی از تأثیر عناصر تصادفی و کاتوره‌‌ای محیط خود در امان نیست. در نتیجه‌‌ی اثر این عوامل، اطلاعات سطحِ خُرد هنگام سازمان دادن نظم‌‌های سطح کلان به طور منظم تلف می‌‌شوند و این همان چیزی است که اصل آنتروپیک و جهت‌‌دار شدنِ زمان را نتیجه می‌‌دهد. با وجود این، تلاش‌‌هایی برای دست‌‌یابی به پاسخ‌‌هایی غیرکلاسیک هم در این میان انجام گرفته است.

یکی از جالب‌‌ترینِ این تلاش‌‌ها، به پیشنهاد دیوید لیزر مربوط می‌‌شود^[6]. وی معتقد است که مفهوم اطلاعات – مبنای اصلی تعریف مفهوم آنتروپی – تنها در سطوح ماکروسکپی و در ارتباط با زمان تاریخ‌‌مدار کارآیی دارد و در سطوح خرد و میکروسکپی قابل تعریف نیست. به عبارت دیگر، در سطح میکروسکپی، محور زمان متقارن است و تمایزی میان حرکت از گذشته به آینده و از آینده به گذشته وجود ندارد. او از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ برای تأیید حرف خود استفاده می‌‌کند. این اصل اعلام می‌‌کند که تعداد حالات قابل تصور برای یک سیستم فیزیکی متناهی است، و بنابراین توصیف آن با مقداری متناهی از اطلاعات ممکن است. این بدان معناست که اطلاعات در سطح میکروسکپی حدی مشخص دارند و نامتناهی نیستند. این اصل در مورد تمام زیرسیستم‌‌های کیهان صادق است.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را می‌‌توان به خودِ کیهان هم تعمیم داد. کیهان، با زیرسیستم‌‌هایش در یک مورد تفاوت دارد و آن هم بی‌‌کران بودنش است. اگر اصل تقارن محض اینشتین را بپذیریم، یعنی قبول کنیم که اثرات تصادفی هم در کیهان توزیعی متقارن دارند، به این نتیجه می‌‌رسیم که اطلاعات سطح میکروسکپی، اگر در سطح کیهان – یعنی کلیت عالم – نگریسته شوند، عینیت ندارند و تنها در همان مقیاس قابل مشاهده هستند. چرا که در سطوح خرد، می‌‌توان همانندی‌‌هایی خُرددامنه را در میان سیستم‌‌هایی تشخیص داد که در سطح کلان متفاوتند (یعنی از محتواهای اطلاعاتی متمایزی برخوردارند).

پیشنهاد لیزر به طور خلاصه آن است که محور زمان را در سطوح میکروسکپی متقارن فرض کنیم. چنان که خواهیم دید این پیشنهاد با دستاوردهای جدید کوامنتوم مکانیک همخوانی دارد، چرا که در صورت‌‌بندی‌‌های این نظریه در سطوح خرد زمان وضعیتی متقارن دارد و حرکت از گذشته به آینده و از آینده به گذشته تفاوت چندانی ندارند. در چنین شرایطی، پیش‌‌فرضِ کیهان‌‌شناسانی مانند هویل و نارلیکار که اعتقاد دارند جهان از حالت عدم تعادل ترمودینامیکی اولیه (مه‌‌بانگ) زاده شده و به سوی چنین تعادلی (مرگ حرارتی) حرکت می‌‌کند، قطعیت خود را از دست می‌‌دهد. از دید لیزر، چنین تصوری از تکامل عالم در پیش‌‌فرض‌‌هایی قدیمی‌‌تر ریشه دارد. این پیش‌‌فرض آن است که جهان یک سیستم دینامیک بسته است و بنابراین حرکتی که در آن مشاهده می‌‌شود، با قانون دوم ترمودینامیک تبیین می‌‌گردد. از دید لیزر، با توجه به نقض جهت‌‌دار بودنِ زمان در سطح میکروسکپی، این حالت که جهان از وضعیتی نامتعادل به سوی تعادل پیش رود، همان قدر محتمل است که وضعیت برعکسِ آن. در واقع، لیزر از این مدل اخیر دفاع می‌‌کند و معتقد است نقطه‌‌ی شروع عالم وضعیتی نزدیک به تعادل ترمودینامیکی بوده و در گذر زمان کیهان از این تعادل دور می‌‌شود.

4. مهم‌‌ترین ویژگی حاکم بر قوانین علوم تجربی، مانند فیزیک، تقارن است. تقارن بدان معناست که قوانین یادشده در تمام شرایط قابل تصور صدق می‌‌کنند. این بدان معناست که قوانین مزبور بیانگر ماهیت موضوع پژوهش و شیوه‌‌ی رفتار آن هستند و به شرایط پیرامونی آن وابسته نیستند. تقارن اگر در معادلات ریاضی مربوط به دستگاه‌‌های مشاهداتی متفاوت وارسی شود، مفهومِ ریاضی «ناوردایی» را برمی‌‌سازد.

کل قوانین فیزیک، نسبت به همه‌‌ی شرایط ناوردا هستند. تنها متغیری که این تقارن را در هم می‌‌شکند، زمان است و منشا این نقض شدنِ تقارن، قانون دوم ترمودینامیک است. محور زمان، تنها شاخص فیزیکی است که جهت دارد و در مسیر مشخصی جریان می‌‌یابد و بسته به این جهت، رفتار سیستم‌‌ها دگرگون می‌‌شود.

برای درک دقیق‌‌تر این مفهوم اشاره به مثالی روشنگر است. قانونی مثل F=Ma را در نظر بگیرید. این قانون بیان می‌‌کند که شاخصی مثل نیرو، با دو شاخص دیگر (شتاب و جرم) رابطه دارد. این معادله نسبت به محورهای مکان ناورداست. یعنی اگر به جسمی در جهتی نیرو وارد کنیم، شتاب آن بسته به جرمش – و نه چیزی دیگر – تعیین می‌‌شود. اگر به همان جسم در جهت معکوس نیرو وارد کنیم، بار دیگر تنها جرم آن است که شتابش را تعیین می‌‌کند. جهت اعمال نیرو و مکانِ ظهور چنین پدیده‌‌ای در صحت این معادله تأثیری ندارد. مکان زمینه‌‌ای خنثاست که قانون یادشده همواره در آن صدق می‌‌کند. مهم نیست شما در چه جهتی بر جسم نیرو وارد کنید و کجا این کار را انجام دهید، قانون یادشده در کل کائنات و در تمام جهت‌‌های قابل تصور برای اعمال نیرو، مصداق دارد.

اما قانون دوم ترمودینامیک چنین وضعیتی ندارد. این قانون نسبت به محور زمان ناوردا نیست. اگر سیستم بر این مبنا، بر محور زمان «پیش برود» یعنی از گذشته به آینده حرکت کند، قانون دوم ترمودینامیک صدق می‌‌کند، و اگر جهتی معکوس برای آن فرض شود اعتبار این قانون از بین می‌‌رود. سیستم‌‌های بسته تنها در شرایطی که زمان در جهت خاصی حرکت کند آنتروپی خود را افزایش می‌‌دهند. از این روست که زمان در معادلات فیزیکی به صورت متغیری مستقل وارد می‌‌شود و به صورت شاخصی عام عمل می‌‌کند که «جهت و ترتیب» رخدادها را نشان می‌‌دهد.

بر این مبنا مفهوم فیزیکی زمان دو مشکل اساسی دارد:

– نخست آن که، تعریف ترمودینامیکی و تاریخ‌‌مدار از زمان به ظاهر با هم در تعارض هستند. بنابراین تعریف یگانه و فراگیری از زمان وجود ندارد. گویی زمان در سیستم‌‌های ساده و پیچیده به دو شکل متفاوت و بر اساس دو مشاهده‌‌ی متعارضِ کاهش یا افزایش پیچیدگی و نظم تعریف شود.

– دوم آن که توضیح دادنِ این که چرا زمان، به عنوان متغیری عام، این‌‌طور یک طرفه عمل می‌‌کند و تنها در جهت خاصی جریان دارد دشوار است. به بیان دیگر، «پیکان زمان» و حرکت دایمی و ثابتش از گذشته به آینده امری است که نیاز به توضیح و تبیین دارد.

این دو مشکل، و به ویژه مسأله‌‌ی دوم که نامتقارن بودن زمان را مورد پرسش قرار می‌‌دهد، زیربنای مسائلی هستند که در فیزیک امروز با مفهوم زمان گره خورده است.

ساده‌‌ترینِ این مشکل‌‌ها از کاربستِ قانون دوم ترمودینامیک در کیهان‌‌شناسی ناشی می‌‌شود. اگر بخواهیم کل گیتی را سیستمی بسته در نظر بگیریم، آن‌‌گاه باید بپذیریم آنچه در قالب قانون دوم ترمودینامیک در سطوح خرد مشاهده می‌‌کنیم، به کلیت گیتی نیز قابل تعمیم است. در چنین شرایطی، باید پذیرفت که روند افزایش آنتروپی و گذار از نظم به بی‌‌نظمی قاعده‌‌ای عمومی است و در کل تاریخ هستی مصداق دارد. پذیرش این برداشت منطقی، همان است که در کیهان‌‌شناسی کلاسیک رواج بسیار دارد و فیزیك‌‌دانانی مانند نارلیکار را به این نتیجه رسانده که گیتی از نقطه‌‌ای بسیار دور از تعادل ترمودینامیک (مه‌‌بانگ) آغاز شده و به سمت تعادل ترمودینامیک و مرگ حرارتی پیش می‌‌رود. این تصویر با وجود سازگار بودنش با قوانین فیزیکی و ترمودینامیکی، یک ایراد جزئی دارد و آن هم این است که با تجربه همخوانی ندارد. این نکته که آینده انباشته از آنتروپی‌‌هایی بیش از اکنون خواهد بود چندان با مشاهدات کیهان‌‌شناختی تعارض ندارد، اما توجیه این که چرا گذشته از محتوای آنتروپیک چنین کمی برخوردار است نیاز به توضیح دارد. این بدان معناست که گذشته‌‌ی کیهان، به خاطر نظمِ زیادی که دارد و سازمان‌‌یافتگی چشمگیری که در قالب کهکشان‌‌ها و سیارات از خود نشان می‌‌دهد، به هیچ عنوان بدیهی نیست. به عبارت دیگر، این نکته که چرا هستی از نقطه‌‌ای با آنتروپی‌‌ای چنین پایین تاریخ خود را آغاز کرده است، هم‌‌چنان مبهم مانده است.

نکته‌‌ی دیگر، آن است که چگونگی اتصال رخدادهای کیهانی در این محور زمانی، بر خلاف انتظار، با آنچه از نگاه نیوتونی/ ترمودینامیکی بر می‌‌آید متفاوت است. نگرش کلاسیکی که زمان را کمیتی نامتقارن می‌‌داند، این عدم تقارن را دستمایه‌‌ای برای مفهوم علیت نیز قرار می‌‌دهد. مفهوم علیت، از این اصلِ منطقی بدیهی سرچشمه می‌‌گیرد که دو پدیدارِ متمایز، تا وقتی که با هم وارد اندرکنش نشده‌‌اند، نسبت به هم استقلال رفتاری دارند. به تعبیر دیگر، در میان زمان‌‌های قبل و بعد از لحظه‌‌ی اندرکنش دو سیستم و دو پدیدار، عدم تقارنی وجود دارد. به شکلی که پدیدارها قبل از این اندرکنش از هم استقلال رفتاری دارند، اما بعد از آغاز این اندرکنش، رفتاری وابسته به هم پیدا می‌‌کنند. این امر، از یک سو نامتقارن بودن محور زمان و یکسویه بودنِ انباشت تجربه‌‌های فیزیکی بر محور زمان را نشان می‌‌دهد، و از سوی دیگر زمینه‌‌ای منطقی است که باور به علیت در پرتو آن ممکن می‌‌شود. این اصل که عدم تقارن در محور زمان به مرتب کردن رخدادها بر محور زمان منتهی می‌‌شود، و باعث می‌‌شود که رخدادهای قبلی بر اتفاق‌‌های بعدی تأثیر بگذارند، زیربنایی است که روابط علی میان روندها از دل آن زاده می‌‌شوند. این در اصل بیانی دیگر از همان اصل نامتقارن بودنِ محور زمان است که بولتزمان پیامد رفتاری ناشی از آن را در سطح مولکولی با اصطلاح Stozahlansatz مشخص کرده بود و آن را نمودی از «اصل استقلال رخدادهای پیشاروی» دانسته بود.

اصل استقلال رخدادهای پیشاروی، که بر یک‌‌سویه بودنِ جهت اندرکنش پدیدارها در زمان دلالت می‌‌کند و زمینه‌‌سازِ علیت است، با وجود بدیهی و منطقی نمودنش، یک اشکال جزئی دارد و آن هم این که از پشتوانه‌‌ی تجربی برخوردار نیست. این اصل از سایر قوانین فیزیکی هم استنتاج نمی‌‌شود، و به تعبیر دقیق‌‌تر تنها در تجربه‌‌ی روزانه‌‌ی ما و شهود ذهنی‌‌مان ریشه دارد. این البته به تنهایی نقطه ضعفی برای یک اصل علمی محسوب نمی‌‌شود، مگر آن که چنین اصلی با شواهد تجربی یا سایر قوانین مستقر علمی ناسازگار شود، و این دقیقاً اتفاقی است که برای این اصل رخ می‌‌دهد.

5، اصل نامتقارن بودن محور زمان، و اصل استقلال رخدادهای پیشاروی، با وجود طبیعی و بدیهی نمودن‌‌شان، با اصول فیزیک جدید همخوانی ندارند. شواهد فیزیک جدید و دستاوردهای مکانیک کوانتوم نشان می‌‌‌‌دهد که عدم تقارنی که این اصل بیان می‌‌کند، دست‌‌کم در سطوح خرد و ریزمقیاس، مصداق ندارد.

برای این که دلایل ناهمخوانی این اصول بدیهی با فیزیک جدید را بفهمیم، باید اندکی به عقب بازگردیم و دگرگونی‌‌های مفهوم زمان در نسبیت و کوانتوم مکانیک را کمی دقیق‌‌تر بنگریم.

نخستین کسی که در فیزیک جدید به شکلی پایه‌‌ای مفهوم زمان را مورد بازسازی قرار دارد و تعبیری كاملاً غیرنیوتونی – و حتی ضد نیوتونی – از آن را به دست داد، اینشتین بود. اینشتین در تلاش خویش برای صورت‌‌بندی نسبیتی قواعد فیزیکی دست به نوآوری انقلابی و مهمی زد، و آن هم نسبی فرض کردنِ محور زمان بود. این بدان معنا بود که زمان، که تا پیش از آن در چارچوبی نیوتونی هم‌‌چون محوری مطلق و مستقل از محتوای خویش در نظر گرفته می‌‌شد، هم‌‌چون خصلتی از چیزها و یک ویژگی پدیدارها فرض شد. از دید اینشتین، زمان خصلتی بود که بسته به سرعتِ چیزها تعیین می‌‌شد.

این نوآوری، البته در انزوا و دور از زمینه‌‌ای فرهنگی صورت نگرفته بود. در همان زمانی که اینشتینِ جوان دست اندرکار پرداختن به نگرش انقلابی خود بود، دانشمندی به نام هرمان مینکوفسکی^[7] زمینه‌‌های نظری را برای چنین برداشتی فراهم می‌‌کرد. مینکوفسکی در 1908 م. نوشتاری منتشر کرد و نشان داد که زمان و مکان هیچ یک به تنهایی معنایی ندارند. به بیان دیگر، او توانست نشان دهد که زمان و مکان در رویارویی با نقدهایی که هواداران اصالت رویداد و نسبی‌‌انگاری بر مطلق‌‌انگاری نیوتونی وارد آورده‌‌اند تاب نخواهد آورد. با وجود این مینکوفسکی سرِ آن نداشت که زمان و مکان را به رویدادها تحویل کند. از این رو پیشنهاد کرد که زمان و مکان در ترکیب با هم فهمیده شوند. از اینجا بود که مفهوم فضا – زمان شکل گرفت.

اینشتین زمانی در نامه‌‌ای به دوستش نوشته بود: «اکنون، گذشته و آینده توهم‌‌هایی بیش نیستند، هر چند توهم‌‌هایی بسیار سرسخت محسوب می‌‌شوند.»

از دید اینشتین، اکنون که مهم‌‌ترین عاملِ تمیز میان آینده و گذشته است و هم‌‌زمانی رخدادها بر مبنای آن سنجیده می‌‌شود، چیزی نسبی و موضعی است. هم‌‌زمانی میان دو رخداد، برداشتی ذهنی است که به متغیرهایی دیگر – مانند سرعت آنها – بستگی دارد. از این رو، هر چیزی اکنون ویژه‌‌ی خود را دارد، و آن زمان حالِ ورجاوند و مطلقی که در نگرش نیوتونی تمام هستی بر گرانیگاه آن و در جهتی خاص حرکت می‌‌کرد، اصولاً وجود ندارد و می‌‌تواند به بی‌‌شمار اکنونِ نسبی و وابسته به رخدادها تجزیه شود.

اینشتین، با ثابت فرض کردن سرعت نور، محور زمان را از موقعیت مرکزی خود به عنوان کمیت ثابت عزل کرد و این موقعیت را به سرعت نور – و در کل به مفهوم سرعت – بخشید. از دید او، زمان و مکان متغیرهایی نسبی هستند که توسط پدیدارها و رخدادها تراوش می‌‌شوند. اینشتین زمان و مکان را در شبکه‌‌ای در هم تنیده فهم می‌‌کرد و این دو را به پرده‌‌ای تشبیه می‌‌کرد که روی پدیدارها را می‌‌پوشاند و شکل آنها را به خود می‌‌گیرد. بر این مبنا، مهمترین عاملی که شکل – و شاید جنسِ – این پرده را تعیین می‌‌کند، سرعتِ آن پدیدار و ارتباط آن با میدان‌‌های گرانشی و شتاب است. چنین برداشتی از زمان، نسبی‌‌گرایانه^[8] خوانده می‌‌شود و در برابر برداشت جوهرگرایانه^[9] قرار می‌‌گیرد که بنا بر سنت فکری نیوتونی، فضا – زمان را هم‌‌چون چارچوبی مطلق و مستقل از محتواهای مادی‌‌اش در نظر می‌‌گیرد.

مشهورترین تفاوت این دو برداشت، به آزمایش ذهنی «دوقلوها» مربوط می‌‌شود. اینشتین برای نمایش پیامدهای دور از انتظار نگاه نسبی‌‌گرایانه آزمونی فکری را پیشنهاد کرد که بر مبنای آن دو برادر دوقلو آزمودنی‌‌ها را تشکیل می‌‌دادند. یکی از این دو برادر در زمین زندگی عادی خود را دنبال می‌‌کرد، و برادر دیگر بر سفینه‌‌ای سوار می‌‌شد و چند سال از عمر خود را در شرایطی که با سرعتی نزدیک به سرعت نور در کهکشان سفر می‌‌کرد سپری می‌‌نمود. آن‌‌گاه، وقتی این برادر فضانورد به زمین بازمی‌‌گشت، به جای برادر خود پیرمردی را می‌‌دید که سال‌‌های معدودِ وی در فضا را – که به خاطر سرعت زیادش کش آمده بود و آرام گذشته بود – را در قالب سال‌‌هایی فراوان تجربه کرده بود و بسیار سالخورده‌‌تر از برادرش شده بود^[10].

این آزمایش فکری از آن رو به این نتیجه‌‌ی نامنتظره منتهی می‌‌شد که از دید اینشتین، زمان بر اساس متغیرهایی مانند سرعت و اثر گرانش تعریف می‌‌شد. این بدان معناست که از دید او، ساعتی که در فضا و به دور از گرانش سیاره‌‌ای مانند زمین قرار داشته باشد، تندتر از ساعتی که در سطح زمین قرار دارد، تیک تاک خواهد کرد. این برداشت، با وجود پیشگویی‌‌های به ظاهر نادرست و خلاف شهودِ روزانه‌‌ای که به دست می‌‌دهد، بر مبنای شواهد آزمایشگاهی، درست است. شکلی بسیار خُرددامنه‌‌ از آزمون دوقلوها در شرایط آزمایشگاهی سنجیده شده است و، به راستی، نشان داده شده که برادرِ فضانورد دیرتر از همسانِ خود بر روی زمین پیر خواهد شد.

شاهدی که در این زمینه وجود دارد، به ذره‌‌ای زیراتمی به نام موئون مربوط می‌‌شود. موئون‌‌ها ذراتی بسیار کوتاه‌‌عمر هستند، یعنی تنها در شتاب‌‌دهنده‌‌های بزرگ و تنها برای لحظه‌‌ی بسیار کوتاهی قابل مشاهده هستند. نیمه‌‌عمر موئون در شرایط عادی 2/2 هزارم ثانیه است. یعنی این ذره با ضرباهنگی چنین سریع دچار واپاشی می‌‌شود. با وجود این، در صورتی که موئون را در شتاب‌‌دهنده‌‌ای با سرعتی نزدیک به نور به حرکت درآوریم، عمر آن به شکلی چشمگیر زیاد می‌‌شود. اگر موئون با سرعت 9994/0 سرعت نور حرکت کند، نیمه‌‌‌‌عمر آن تا 63/5 هزارم ثانیه – یعنی حدود سی برابر حالت عادی – افزایش می‌‌یابد و این را می‌‌توان به این ترتیب تعبیر کرد که موئونِ متحرک، زمان را کندتر از همتای ثابتش تجربه می‌‌کند^[11].

وابستگی زمان به گرانش را نیز بر اساس شواهد به دست آمده از ستاره‌‌های نوترونی تأیید کرده‌‌اند. محاسبه‌‌ها نشان می‌‌دهد که زمان در سطح ستاره‌‌های نوترونی، که به خاطر چگالی‌‌ بالای‌‌شان گرانشی بسیار زیاد دارند، تا حدود 30 درصد کندتر از جهان اطراف‌‌شان خواهد گذشت. این بدان معناست که در سطح یک سیاهچاله‌‌، که گرانش‌‌ بسیار زیاد آن حتی نور را نیز از گریختن باز می‌‌دارد، زمان در عمل ثابت می‌‌ماند. این بدان معناست که هر تغییری در سطح یک سیاهچاله، از دید کیهانِ بیرونی، بی‌‌نهایت زمان نیاز خواهد داشت، و از این رو می‌‌توان سیاهچاله‌‌ها را به عنوان مراجعی در نظر گرفت که زمان در آنها سپری نمی‌‌شود^[12].

برداشت انقلابی اینشتین درمورد نسبیت زمان، برای نخستین بار ماجرای سفر در زمان را از انحصار داستان‌‌های علمی – تخیلی خارج کرد و آن را به قلمرو علم وارد کرد^[13]. بر اساس دیدگاه نسبیتی، سفر به آینده کار چندان دشواری نیست. کافی است تا با سرعتی نزدیک به نور در کیهان «چرخی بزنیم» و باز به سر جای اول‌‌مان بازگردیم تا آینده‌‌ی جهانی را که با سرعتی بیش از ما زمان را تجربه کرده، مشاهده کنیم. همان طور که برادرِ فضانورد با آینده‌‌ی برادر زمینی‌‌اش روبه‌‌رو می‌‌شد. به همین ترتیب، اگر راهی برای اقامتی موقت در نزدیکی یک ستاره‌‌ی نوترونی و بازگشت از تله‌‌ی گرانش بالای آن پیدا می‌‌شد، این امکان به وجود می‌‌آمد که به همین ترتیب آینده مشاهده شود. به ویژه این فکر که با ترکیب یک کرمچاله^[14] و ستاره‌‌ی نوترونی بتوان تونل زمان درست کرد، به تازگی بحث‌‌های زیادی برانگیخته است.

کرمچاله، عبارت است از تونلی در فضا – زمان، که در جریان فرآیندهای مربوط به مه‌‌بانگ پدید آمده است. کرمچاله، در شرایط عادی باید دچار فروپاشی گرانشی شود و به سیاهچاله‌‌ای تبدیل شود که مکانی تقریباً برابر با صفر و گرانشی برابر با بی‌‌نهایت دارد. با وجود این، بر مبنای آنچه اثر کازیمیر^[15] نامیده می‌‌شود، می‌‌توان فرض کرد که این کرمچاله‌‌ها با جذب انرژی‌‌ای منفی، پایدار باقی بمانند. ویژگی کرمچاله‌‌ها آن است که دو نقطه از فضا را با فواصلی زیاد به هم مرتبط می‌‌کنند و در واقع پل‌‌هایی هستند در شبکه‌‌ی مکان. از آن‌‌جا که بر اساس نگرش نسبیتی مکان و زمان در هم تنیده هستند و خصلتی نسبی دارند، به این ترتیب می‌‌توان احتمال داد که دو دهنه‌‌ی یک کرمچاله، دو نقطه از مکان را که زمان‌‌هایی متفاوت دارند به هم مرتبط سازد. این به ویژه زمانی مصداق می‌‌یابد که یکی از دهانه‌‌های یک کرمچاله را در نزدیکی یک ستاره‌‌ی نوترونی قرار دهیم، و به این ترتیب ضرباهنگ زمان را در آن نسبت به دهانه‌‌ی دیگر آرام‌‌تر کنیم. به این ترتیب مفهوم تونل زمان، عینیتی فیزیکی می‌‌یابد^[16].

در هر حال، احتمال هیجان‌‌انگیزتر از پرش به آینده، سفر به گذشته است. سفر به گذشته نیز با توجه به مفهوم نسبیتی زمان ممکن است، اما دستیابی بدان نسبت به سفر به آینده بسیار دشوارتر است. یکی از نخستین صورت‌‌بندی‌‌های جدی ریاضی‌‌ای که در این مورد انجام گرفت، مقاله‌‌ی کورت گودل^[17] بود که در سال 1948 م. با حل یک معادله‌‌ی نسبیتی نشان داد که می‌‌توان فرض کرد کل کیهان در حال چرخش است، و در این شرایط می‌‌توان سفر به زمان گذشته را امری ممکن دانست. مقاله‌‌ی گودل از این رو اهمیت دارد که مفهوم سنتی و دیرپای زمان خطی را نیز دستکاری می‌‌کند و آن را به محوری بسته تبدیل می‌‌کند. به بیان دیگر، راه حلی که گودل برای معادلات نسبیتی به دست آورد، به فرض جهانی می‌‌انجامد که زمان در آن خصلتی چرخه‌‌ای دارد. این دستاورد بسیار مهم است، چرا که نخستین متن علمی‌‌ای بود که بسته بودن زمان و چرخه‌‌ای بودنِ آن را بعد از هزاران سال که از مرکزیت این باور در جوامع کشاورز اولیه می‌‌گذشت، بار دیگر مطرح می‌‌ساخت.

در سال 1969م.، استیون هاوکینگ کتاب مشهور خود –تاریخچه‌‌ی زمان- را منتشر کرد و نشان داد که تنها در صورتی که راه حل گودل را برای مسأله‌‌ی زمان بپذیریم فضا – زمانی خواهیم داشت که مکانِ آن به سه بعدِ آشنای امروزین تقسیم شده است. پنج سال بعد، تریپلر مقاله‌‌ی مشهور خود را منتشر کرد و نشان داد که اگر لوله‌‌ای با طول بی‌‌نهایت را در نظر بگیریم و فرض کنیم که به دو محورش با سرعتی نزدیک به نور می‌‌گردد، خواهیم توانست از درون این لوله گذشته را ببینیم. چرا که نور در داخل این لوله به دام می‌‌افتاد و در صورتی که روزنه‌‌ای – عمود بر جهت چرخش آن – گشوده می‌‌شد، امکان دیدن این نورهای اسیرشده از زمان گذشته فراهم می‌‌آمد. امروزه، برداشت‌‌هایی که در مورد نظریه‌‌ی ریسمان‌‌ها وجود دارد، در واقع، این عناصر زیراتمی را هم‌‌چون لوله‌‌ای مشابه در نظر می‌‌گیرد.

سفر به گذشته، از نظر فیزیکی بیشتر بدان دلیل هیجان‌‌انگیز است که می‌‌تواند به تعارض‌‌هایی منطقی منتهی شود. چه می‌‌شود اگر کسی به گذشته باز گردد و پدربزرگش را پیش از ازدواجش به قتل برساند؟ یا چه می‌‌شود اگر یک توپ بیلیارد که به گذشته پرتاب شده، به خودش بخورد و جهتِ حرکتش را طوری تغییر دهد که از پرتاب شدنش به گذشته پیشگیری کند؟ یا اگر کسی که مقاله‌‌ای را خوانده به گذشته بازگردد و محتوای این مقاله را به نویسنده – که هنوز نوجوان است – بیاموزد، محتوای اطلاعاتی این مقاله از کجا آمده است؟

این پرسش‌‌ها و باطل‌‌نماهای منطقی فراوان دیگری که در جریان سفر به گذشته پدید می‌‌آیند، برخی از فیزیك‌‌دانان را به فرضِ یک قانون طرد موارد متناقض منطقی وا داشته است. در میان ایشان، از همه مشهورتر استیون هاوکینگ است که پیشنهاد کرده تا قوانین فیزیکی به یک اصل طرد شرایط تناقض‌‌آمیز در مورد محور زمان مسلح شوند^[18].

6. نگرش نسبی‌‌گرایانه‌‌ی اینشتین در مورد زمان، هر چند انقلابی و ناقض شواهد روزانه‌‌ی ماست اما، نقطه‌‌ی پایان نوآوری‌‌های فیزیک جدید در این زمینه محسوب نمی‌‌شود. فیزیک امروز، تنها به خاطر قایل بودن به امکان سفر به گذشته و آینده نیست که غریب می‌‌نماید. مشکل در آن‌‌جاست که در مهم‌‌ترین چارچوب نظری فیزیکی رقیب نسبیت اینشتین، که مکانیک کوانتومی است، مشکلی بزرگ‌‌تر در مورد زمان وجود دارد. این مشکل هم آن است که در این‌‌جا ما زمان را به مفهوم نامتقارنی که شرحش گذشت، باز نمی‌‌یابیم.

در مکانیک کوانتوم، که از نظر دقت پیش‌‌بینی‌‌ها و شمول شواهدی که توضیح می‌‌دهد یکی از موفق‌‌ترین نظریه‌‌های تاریخ علم محسوب می‌‌شود، زمان امری كاملاً متقارن است^[19]. یعنی در سطوح زیراتمی، عدم تقارنی میان گذشته و آینده وجود ندارد. این بدان معناست که به جای مدل کلاسیکی که نقطه‌‌ای به نام اکنون را بر محور زمانی خطی در نظر می‌‌گرفت و گذشته‌‌ای قطعی را به آینده‌‌ای تعین‌‌نایافته متصل می‌‌کرد، در مکانیک کوانتوم با نقطه‌‌ای به نام اکنون سر و کار داریم که دامنه‌‌ای از حالات محتمل در گذشته را به دامنه‌‌ای از حالات ممکن در آینده پیوند می‌‌دهد و بنابراین «جهتی» که در سطوح ماکروسکوپی برای زمان می‌‌بینیم، در این سطوح قابل مشاهده نیست.

مکانیک کوانتوم تنها به خاطر برداشت خاصی که از تقارن زمان دارد، فریبنده نیست. این دیدگاه در پیوند با مدل‌‌های نسبیتی نیز به نتایجی نامنتظره منتهی می‌‌شود. یکی از مسائل بنیادینی که در فیزیک امروز وجود دارد، متحد کردن چارچوب‌‌های نظری رقیبی است که به ظاهر هر یک در سطوحی با دقت و کارآیی بسیار جهان را توصیف می‌‌کنند، اما در سطوحی دیگر با هم ناهمخوان هستند. مکانیک کوانتوم و فیزیک نسبیت مهم‌‌ترین چارچوب‌‌هایی هستند که قلمروهایی متفاوت از شواهد را توصیف می‌‌کنند و به سادگی با هم تلفیق نمی‌‌شوند. راوِلی^[20] که یکی از پیشگامانِ اتحاد این دو دستگاه نظری است، نشان داده است که در مدلی تلفیقی از این دست، زمان باید از سویی هم‌‌چون نوعی چارچوب مستقل از محتواها در نظر گرفته شود، و از سوی دیگر باید جهت‌‌دار بودن و محورگونه بودنش را نادیده انگاشت. این تقریباً بدان معناست که در این برداشت، زمان به مفهوم آشنای ما وجود ندارد. نمود این مسأله را می‌‌توان در آنچه «مسأله‌‌ی زمان منجمد»^[21] نام گرفته است به خوبی دید.

مسأله‌‌ی زمان منجمد از آن‌‌جا برمی‌‌خیزد که در روشی به نام «کوانتیزه کردنِ استانده»^[22] که برای یک کاسه کردنِ قوانین الکترومغناطیسی و کوانتوم مکانیکی به کار برده می‌‌شود، معادله‌‌ای به دست می‌‌آید که به نام پدیدآورندگانش برابری ویلر – دِویت^[23] نامیده می‌‌شود. این معادله در پیوند دادن قوانین دو عرصه‌‌ی یادشده بسیار موفق عمل می‌‌کند، اما یک مشکل اساسی دارد و آن هم این که زمان در آن وجود ندارد. به عبارت دیگر، در پیوند این دو دستگاه نظری، تصویری از جهان ترسیم می‌‌شود که منجمد و مستقل از زمان است و این همان است که مسأله‌‌ی زمان منجمد نامیده می‌‌شود. این امر باز به مفهوم تقارن بازمی‌‌گردد، چون در این‌‌جا ما با تصویری از جهان سر و کار داریم که تمام حالات آن در فضا – زمان، با هم مشابه و متقارن است^[24]. همین نتایج فیزیك‌‌دانانی مانند ریولی را به این نتیجه رسانده که زمان مفهومی موهوم و قابل حذف است. هر چند نظریه‌‌پردازان دیگری – که به ویژه در قالب نظریه‌‌ی ریسمان کار می‌‌کنند، به قیمت حفظ نگاهی جوهرگرایانه در مورد زمان، آن را در معادلات خود حفظ کرده‌‌اند.

برداشت کلاسیک از محور زمان که در جهتی یک‌‌سویه «جریان دارد» و مدل فارغ از زمانِ کوانتایی که در آن تمام حالات فضا – زمان با یکدیگر هم‌‌ارز پنداشته می‌‌شوند

کوانتوم مکانیک، با وجود برداشت انقلابی‌‌اش در مورد تقارن زمان، در برابر برداشت جدیدتری که به کوانتومی بودنِ شبکه‌‌ی فضا – زمان باور دارند^[25]، بدیهی و روزمره می‌‌نماید. این برداشت اخیر، همان است که مدل «گرانش کوانتوم حلقه‌‌ای»^[26] نامیده می‌‌شود. بر اساس این دیدگاه، فضا و زمان عناصری پیوسته و تداوم‌‌پذیر نیستند، بلکه از واحدهای خردِ گسسته‌‌ای تشکیل یافته‌‌اند که با واحدهای پلانکی طول و زمان برابر است. در مکانیک کوانتوم، خُردترین مقیاس محاسباتی، به طول‌‌هایی با اندازه‌‌ی ^{33 –} 10 متر منحصر می‌‌شود. بر اساس دیدگاه گرانش کوانتوم حلقه‌‌ای، کوچک‌‌ترین واحدهای ممکن برای سطح عبارت است از مربعی در ابعاد پلانکی که ^{66 –} 10 متر مربع مساحت خواهد داشت. به همین ترتیب کوچکترین واحد حجم ^{99 –} 10 متر مکعب اندازه دارد. به این ترتیب مکان، که برای قرن‌‌ها و هزاره‌‌ها امری پیوسته پنداشته می‌‌شد، در قالب محوری گسسته بازتعریف می‌‌شود.

امروز به تدریج توافقی در این مورد میان فیزیك‌‌دان‌‌ها شکل می‌‌گیرد، یعنی بیش از پیش، کوانتومی بودن مکان مورد بحث واقع می‌‌شود و پذیرفته می‌‌گردد. نتیجه‌‌ای که از این ماجرا برمی‌‌آید، آن است که مکان مفهومی هم‌‌افزایانه است و در جریان اندرکنش و تداخل سطوحی سلسله‌‌مراتبی از کمیت‌‌هایی متفاوت زاده می‌‌شود. این بدان معناست که مکانِ پیوسته، محورگونه، و آشنایی که ما در سطوح کلان تجربه می‌‌کنیم، در مقیاس‌‌های خرد و پلانکی وجود ندارد و تنها زیربناهایی ناهمگون و متفاوت با آن را در آن سطح می‌‌توان بازیافت.

نموداری از تاریخچه‌‌ی کیهان در نگاه نسبیتی (چپ) و کوانتوم مکانیکی (راست). محور عمودی زمان و محور افقی مکان را نشان می‌‌دهد و خط سپید بالای نمودار، زمان اکنون را نشان می‌‌دهد. نگرش کوانتایی به دلیل قایل نبودن به یک نقطه‌‌ی یکتای آغازین برای مه‌‌بانگ، محور زمان را تا پیش از این آغازگاه نیز امتداد می‌‌دهد.

اگر بتوان فضا را به این ترتیب تعریف کرد، امکانی برای بازتعریف کردن مفهوم زمان نیز گشوده می‌‌شود. نظریه‌‌ی گرانش کوانتوم حلقه‌‌ای به چنین امکانی می‌‌پردازد. در این نگرش، زمان هم دیگر وضعیتی محورگونه ندارد، به توالی‌‌هایی از بازآرایی کوانتوم‌‌های مکانی فروکاسته می‌‌شود. به این شکل زمان نیز پیوسته نیست و از جهش‌‌هایی گسسته در اتصال با کوانتوم‌‌های مکانی تشکیل یافته است. به این ترتیب، کلیت فضا – زمان، که پیوندشان در فیزیک نسبیتی به درستی نشان داده شده بود، از حالت آن مکعبِ توپر و لبریزِ نیوتونی – اینشتینی بیرون می‌‌آید و به اسفنجی توخالی و پر حفره تبدیل می‌‌شود. بر اساس این دیدگاه، کوچک‌‌ترین واحد ممکن برای زمان نیز از کمیت‌‌های ثابت کوانتایی نتیجه می‌‌شود و با زمان پلانکی، که برابر ^{43 –} 10 ثانیه است، برابر می‌‌شود. این بدان معناست که اشیا و چیزها، در سطوح زیراتمی، از کوانتوم‌‌هایی گسسته از مکان و زمان تشکیل یافته‌‌اند، و ذاتاً ماهیتی ناپیوسته دارند. بر اساس دیدگاه یادشده، یک کهکشان مانند کهکشان راه شیری، مجموعه‌‌ای شبکه‌‌مانند از گره‌‌های اتصال فضا – زمان است، که ¹⁸⁴ 10 گره را در بر می‌‌گیرد^[27].

این نظریه با وجود جذاب و نوآورانه بودنش، هنوز نتوانسته هواداران زیادی را به خود جذب کند. به طور مشخص، در نظریه‌‌ی ریسمان‌‌ها که آن هم یکی از لبه‌‌های پیشروی فیزیک جدید محسوب می‌‌شود، زمان هم‌‌چنان به شکلی پیوسته صورت‌‌بندی می‌‌شود و این شهودِ گرانش کوانتوم حلقه‌‌ای مردود دانسته می‌‌شود. دیوید گروس^[28]، که در سال 2004 م. جایزه‌‌ی نوبل فیزیک را برد، یکی از کسانی است که به کوانتومی بودنِ مکان و زاییده شدنش از متغیرهایی گسسته باور دارد، اما زمان را این چنین نمی‌‌بیند و آن را محوری پیوسته و مستقل فرض می‌‌کند.

به این ترتیب، دو نگرش اصلی در فیزیک امروز در مورد زمان وجود دارد. نگاهی نسبیتی، که زمان را به صورت خاصیتی از ماده می‌‌فهمد، و با وجود نسبی فرض کردنِ آن و مجاز دانستن اموری مانند سفر در زمان، هم‌‌چنان، عدم تقارن و یکسویه بودن جریان معمول زمان را می‌‌پذیرد. و نگرشی کوانتومی که از یکسو مفهومی جوهرانگارانه از زمان را حفظ می‌‌کند، و از سوی دیگر نامتقارن بودنِ آن را منکر می‌‌شود و به این ترتیب زمان را به مفهومی معادلاتی و انتزاعی تبدیل می‌‌کند که با تعبیر مرسوم ما از این مفهوم ارتباطی ندارد. اوجِ این برداشتِ آشنایی‌‌زدایانه از زمان، همان دیدگاه گرانش کوانتوم حلقوی است که اصولاً زمان را به یکاهایی خرد در پیوند یا یکاهای مکانی فرو می‌‌کاهد. نظریه‌‌ی ریسمان‌‌ها را با وجود خصلت نوآورانه‌‌اش در مورد برخی از مفاهیم پایه‌‌ی فیزیکی، می‌‌توان به خاطر برداشت مشابهش از زمان، در همین طبقه گنجاند.

هر چند به ظاهر دیدگاه کوانتومی انقلابی‌‌تر می‌‌نماید و به تعبیری زمان را منکر می‌‌شود، اما با نگریستن به برخی از پیش‌‌گویی‌‌ها یا پس‌‌گویی‌‌های این دو نگاه، می‌‌توان به شباهت‌‌ها و تفاوت‌‌های آنان با نگرش نیتونی کلاسیک پی برد. شاید بهترین نمونه در این مورد، به پس‌‌گویی این دو نگرش در مورد آغاز زمان مربوط شود.

شواهد کیهان‌‌شناختی فراوانی وجود دارند که نشان می‌‌دهند کلیت گیتی در شکل امروزینش، نوعی سازمان‌‌یافتگی از ماده است که در حال انبساط است. بر این اساس می‌‌توان نشان داد که اگر در محور زمان به عقب بازگردیم، کل این ماده‌‌ها زمانی در یک مرکز اولیه متمرکز بوده‌‌اند. فرآیندی که باعث رها شدن ماده از این مرکز اولیه شده را مه‌‌بانگ می‌‌نامند. مه‌‌بانگ، بنا بر تخمین‌‌های جدید، در حدود ۱۳/۷ میلیارد سال پیش رخ داده و از آن هنگام تا به حال کیهان در مسیری قابل فهم سیر تکاملی خود را تا نقطه‌‌ی کنونی طی کرده است.

با وجود آن که در مورد مه‌‌بانگ و فرآیندهای حاکم بر آن توافقی عمومی در میان فیزیك‌‌دانان وجود دارد، اما در مورد ارتباط مه‌‌بانگ و محور زمان چنین همدلی‌‌ای دیده نمی‌‌شود.

بر اساس نگرش نسبیتی، مه‌‌بانگ از یک نقطه‌‌ی آغازین یگانه آغاز شده و با توجه به تراکم شگفتِ ماده و انرژی در این کانون اولیه، پیش از آن به شکل ساختارهای مادی وجود نداشته است. این بدان معناست که، از دید نسبیتی، جهان نقطه‌‌ی آغازی مشخص و متمرکز دارد و از آن‌‌جا که زمان – مکان خصلتی از ماده محسوب می‌‌شوند، آنها نیز پیش از این نقطه وجود نداشته‌‌اند و اصولاً به عنوان خصلتی از این ماده‌‌ی پراکنده‌‌شونده پا به عرصه‌‌ی وجود نهاده‌‌اند. این همان دیدگاهی است که در دهه‌‌ی شصت میلادی توسط دانشمندانی مانند هاوکینگ و پنروز پیشنهاد شد و بر اساس آن زمان ازلی نبود و در نقطه‌‌ای خاص – همراه با مه‌‌بانگ – زاییده می‌‌شد.

بر اساس نگرش مکانیک کوانتوم، اما، ماجرا چنین نیست. در این دیدگاه یک نقطه‌‌ی یگانه و متمرکز برای آغاز کیهان وجود ندارد، آنچه هست، موضع یا محدوده‌‌ای است که در آن تراکم ماده و انرژی از آستانه‌‌ی لازم برای آغاز مه‌‌بانگ گذشته است. به این ترتیب، محور زمان پیش از مه‌‌بانگ هم به شکلی دیگر و در ارتباط با سازمان‌‌یافتگی دیگری از ماده و انرژی وجود داشته است.

دیدگاه ریسمان‌‌ها، اما، به تصویری چرخه‌‌ای از هستی باور دارد. تصویری که در آن یک چارچوب فضا – زمانی مستقل از محتوای مادی‌‌شان وجود داشته‌‌اند. این چارچوب، به چیزی شبیه بوده که در نظریه‌‌ی ریسمان‌‌ brane نامیده می‌‌شود. این بدان معناست که کل هستی، در ابتدای کار، به صفحه‌‌ای گسترده بر فضای حالتی لوله‌‌ای‌‌شکل شباهت داشته که در اندرکنش با صفحه‌‌های مشابه دچار افت و خیزهایی گرانشی شده و در جریان همین اندرکنش بوده که مه‌‌بانگ آغاز شده است^[29]. به عبارت دیگر، جهان ما در جریان کنش و واکنش با جهانی دیگر، که مانند جهان ما در تهیایی مادی و انرژیایی به سر می‌‌برده، شکل گرفته و آستانه‌‌ی گرانشی مورد نیاز برای مه‌‌بانگ را به دست آورده است.

در این دیدگاه، فاصله گرفتن تدریجی دو صفحه‌‌ی کیهانی یادشده به خاموشی تدریجی این جرقه‌‌های گرانشی منتهی می‌‌شود و بار دیگر کیهان به همان وضع تهیای اولیه‌‌ی خود بازمی‌‌گردد؛ شرایطی که شاید بار دیگر در اندرکنش با صفحه‌‌ای دیگر همین چرخه را از سر بگیرد. به این ترتیب، در مدل ریسمان هم با زمانی ابدی و ازلی روبه‌‌رو هستیم که خصلت فضای حالتی مستقل از ماده است و به طور چرخه‌‌ای زایش و مرگ جهان‌‌هایی مانند جهان ما در آن رخ می‌‌دهند^[30].

7. بر اساس آنچه گذشت، می‌‌توان به انقلابی که در قرن بیستم در عرصه‌‌ی فیزیک درباره‌‌ی مفهوم زمان رخ داد، پی برد. تا پایان قرن نوزدهم، مفهوم زمان در کل بر اساس قالبی نیوتونی و بر مبنای مکانیک کلاسیک فهمیده می‌‌شد. زمانی که جهت‌‌دار، نامتقارن، محورگونه، و پیوسته بود، و خصلتی خودبنیاد و مستقل از محتوای مادی‌‌اش داشت. پس از گذشت یک قرن، در پایان قرن بیستم، تصویر فیزیك‌‌دانان از زمان به هیچ عنوان با برداشت کلاسیک شباهت نداشت. از سویی محور زمان و مکان بر اساس دیدگاه نسبیتی در هم تنیده شده بود، و از سوی دیگر در همین نظریه به صورت صفات و خواصی از ماده درآمده بود. از سوی دیگر، در نگرش کوانتایی تقارنی را به دست آورد که تا پیش از آن برخوردار نبودنش از آن علامت محور زمان بود. در سال‌‌های واپسین قرن بیستم، با مدل گرانش کوانتوم حلقه‌‌ای، کار به جایی کشید که در مورد بدیهی‌‌ترین عنصر برسازنده‌‌ی محور زمان – یعنی پیوسته بودن آن – نیز تردیدهایی جدی ایجاد شد. به این ترتیب، اگر بخواهیم دستاوردهای اصلی فیزیک امروزین را در مورد مفهوم زمان برشماریم، باید بگوییم که محور زمان در جریان چالش‌‌های فکری یادشده، از هر چهار خصلت نیوتونی‌‌اش محروم شد: یک‌‌سویه بودن آن و ارتباطش با قطعیت رخدادهای گذشته موهوم انگاشته شد و این تنها محصول جانبی گیر کردنِ ذهن ناظر در یکی از جهان‌‌های ممکنِ بی‌‌شمار دانسته شد؛ برگشت‌‌ناپذیر بودنش با نسبی شدن زمان و نظریه‌‌هایی که سفر زمانی را ممکن می‌‌دانستند، مردود دانسته شد؛ و مطلق و مستقل بودنش از محتوای مادی‌‌اش بر اساس بینش اینشتین نادرست دانسته شد. در نهایت، حتی اصل پیوسته بودنِ زمان و محور بودنش هم به چالش کشیده شد و تصویری از جهانِ فارغ از زمان – بر اساس مسأله‌‌ی زمان منجمد – یا انباشته از شبکه‌‌ای گسسته از فضا – زمان محبوبیت یافت.

 

 

1. Newton, 1934. ↑
2. Thomson, 1852. ↑
3. Clausius, 1867. ↑
4. Kinethic gas theory ↑
5. وکيلي، 1377. ↑
6. ليزر، 1364. ↑
7. Herman Minkowski ↑
8. Relationism ↑
9. Substantivalism ↑
10. Goth and Miffi, 2002. ↑
11. Lasky, 2006. ↑
12. Thorne, 1994. ↑
13. Nahin, 1993. ↑
14. Wormhole ↑
15. Casimir Effect ↑
16. Davies, 2006 (a). ↑
17. Kurt Godel ↑
18. Hawking, 1992. ↑
19. Van Fraassen, 1985. ↑
20. Rivelli ↑
21. Problem of Frozen Time ↑
22. Canonical quantization ↑
23. Wheeler- Dewitt ↑
24. Musser, 2006. ↑
25. Grunbaum, 1950/1 ↑
26. Loop Quantum Gravity ↑
27. Smollin, 2006. ↑
28. David Gross ↑
29. Steinhardt and Turok, 2002 ↑
30. Veneziano, 2006. ↑

 

 

ادامه مطلب: گفتار دوم: زيست‌شناسی زمان

رفتن به: صفحات نخست و فهرست کتاب