فیزیکدانان جهان کوچک‌سازی را ساختند و مشاهده کردند که زمان بدون ساعت شکل می‌گیرد

اگر زمان جزئی بنیادین از جهان نباشد، بلکه چیزی باشد که از تغییرات درونی آن پدیدار می‌شود چه؟ فیزیکدانی در دانشگاه بیرمنگام جهانی مینیاتوری در آزمایشگاه ایجاد کرده است که راه تازه و شگفت‌انگیزی برای بررسی این احتمال ارائه می‌دهد.

با استفاده از هزاران اتم که تا دماهایی نزدیک به صفر مطلق خنک شده بودند، پروفسور جووانی بارونتینی نشان داد که گذر زمان می‌تواند بدون تکیه بر یک ساعت خارجی اندازه‌گیری شود. در عوض، شکلی از زمان به طور طبیعی از رفتار ذرات درون سیستم آزمایشگاهی پدیدار می‌شود.

یافته‌های منتشر شده در Physical Review Research، شواهد تجربی برای ایده‌ای جذاب در فیزیک نظری فراهم می‌کنند: زمان ممکن است جزء ضروری واقعیت نباشد. این مفهوم می‌تواند از روابط و تغییراتی که درون خود جهان رخ می‌دهد، سرچشمه بگیرد.

ما معمولاً زمان را چیزی می‌دانیم که به طور پیوسته به جلو حرکت می‌کند، صرف‌نظر از آنچه اطرافمان اتفاق می‌افتد. ثانیه‌ها می‌گذرند، سیارات به دور ستارگان می‌گردند و جهان تکامل می‌یابد. اما برخی نظریه‌های فیزیک پیشنهاد می‌کنند که زمان در بنیادی‌ترین سطح، عملکرد بسیار متفاوتی دارد.

یکی از نمونه‌ها، معادله ویلر-دیویت (Wheeler-DeWitt equation) است که در تلاش‌ها برای ترکیب مکانیک کوانتومی با گرانش ظاهر می‌شود. در این چارچوب، جهان می‌تواند به عنوان یک حالت کوانتومی واحد و بی‌تغییر توصیف شود، بدون اینکه ساعت خارجی گذر زمان را علامت بزند. ذرات کوانتومی می‌توانند خواص موجی و ذره‌ای هر دو را نمایش دهند، اما جهان به کل لزوماً متغیر زمانِ درونی ندارد.

این موضوع معمای بزرگی ایجاد می‌کند. اگر جهان ساعت خارجی نداشته باشد، چگونه می‌تواند اتفاقات به ترتیب خاصی رخ دهند؟ چه چیزی تعیین می‌کند کدام رویدادها اول و کدام بعدتر اتفاق می‌افتند؟

یکی از احتمالات این است که زمان از روابط متغیر بین بخش‌های مختلف جهان پدیدار می‌شود. بارونتینی آزمایشی طراحی کرد تا بررسی کند آیا چنین فرآیندی می‌تواند در آزمایشگاه مشاهده شود یا خیر.

بارونتینی برای ساخت کیهان مینیاتوری خود، از ابری متشکل از حدود ۲۴,۰۰۰ اتم استفاده کرد که تا چند میلیاردم درجه بالاتر از صفر مطلق خنک شده بودند. در این دماهای فوق‌العاده پایین، اثرات کوانتومی اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کنند و به پژوهشگران اجازه می‌دهند رفتارهایی را مطالعه کنند که معمولاً مشاهده آن‌ها دشوار است.

اتم‌ها درون یک سیستم کوانتومی تحت کنترل دقیق محبوس شدند که برای ماندن در انزوا از محیط اطراف طراحی شده بود. دو پرتو لیزر با فرکانس‌های مختلف، مانعی نازک ایجاد کردند که سیستم را به دو ناحیه تقسیم کرد: ناحیه قابل مشاهده («روشن») و ناحیه غیرقابل مشاهده («تاریک»).

اگرچه سیستم کلی از جهان بیرون منزوی بود، اتم‌ها می‌توانستند بین این دو ناحیه جابه‌جا شوند.

ناحیه روشن سیکل‌های مکرر انبساط و انقباض را تجربه کرد که شبیه نسخه‌های ساده‌شده دو رویداد کیهانی دراماتیک بود. انبساط مشابه مهبانگ (Big Bang) بود، در حالی که انقباض شبیه فروریزش بزرگ (Big Crunch)، سرنوشت فرضی جهان بود که در آن انبساط کیهانی در نهایت معکوس شده و همه چیز به داخل فرو می‌ریزد.

این آزمایش این رویدادهای کیهانی واقعی را بازتولید نکرد. در عوض، مدل کوانتومی ساده‌ای ارائه داد که در آن پژوهشگران می‌توانستند بررسی کنند چگونه توالی رویدادها بدون اشاره به ساعتی خارج از سیستم بازسازی می‌شود.

کلید این آزمایش، آنتروپی (entropy) بود، مفهومی در فیزیک که با پراکندگی یا بی‌نظمی ذرات و انرژی مرتبط است.

بارونتینی به جای استفاده از ثانیه یا دقیقه، روشی توسعه داد تا زمان را از طریق تغییرات در نحوه توزیع اتم‌ها درون جهان مینیاتوری ردیابی کند.

همان‌طور که اتم‌ها بین نواحی روشن و تاریک جابه‌جا می‌شدند، توزیع ذرات در ناحیه روشن تغییر می‌کرد. این تغییرات راهی برای تعریف پیشرفت سیستم در طول زمان فراهم می‌کرد، حتی زمانی که ناحیه روشن بین انبساط و انقباض در نوسان بود.

وقتی توزیع ذرات در پراکندگی خود افزایش یا کاهش می‌یافت، سیستم طبق این معیار داخلی زمان به حرکت رو به جلوی خود ادامه می‌داد. وقتی توزیع بدون تغییر باقی می‌ماند، پیشرفت این شکل خاص از زمان عملاً متوقف می‌شد.

مهم است که این بدان معنا نبود که زمان واقعاً در آزمایشگاه متوقف شد. بلکه به این معنا بود که معیار داخلی زمان، زمانی که تغییرات مرتبط در سیستم ناپدید می‌شدند، از پیشروی باز می‌ایستاد.

بارونتینی این مفهوم را «زمان آنتروپیک» نامید. آزمایش نشان داد که این شکل از زمان دارای چندین ویژگی مهم است. این زمان به طور مداوم در یک جهت حرکت می‌کند و آنچه فیزیکدانان «پیکان زمان» (arrow of time) می‌نامند، یعنی تمایز بین گذشته و آینده را ایجاد می‌کند. همچنین رویدادها را به ترتیب صحیح قرار می‌دهد، حتی در حالی که جهان مینیاتوری منبسط و منقبض می‌شود.

شاید شگفت‌انگیزترین نکته این باشد که زمان آنتروپیک همیشه با سرعت یکسانی پیش نمی‌رود. پیشرفت آن بسته به نحوه تغییر آنتروپی درون سیستم می‌تواند سریع‌تر یا کندتر شود.

پروفسور بارونتینی گفت: «در برخی نظریه‌های جهان، به ویژه گرانش کوانتومی، زمان به عنوان ویژگی درونی ظاهر نمی‌شود. اما در زندگی روزمره، زمان از گذشته به آینده جریان دارد -- چرا این چنین است، در حالی که اکثر قوانین پایه فیزیک در جهت رفت و برگشت به همان شیوه عمل می‌کنند؟»

«این مطالعه نخستین شواهد تجربی کنترل‌شده را ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد "زمان" می‌تواند توسط تغییرات درون یک سیستم تعریف شود، نه به عنوان "ساعت تیک‌تیک‌کننده" خارجی که ما آن را زمان می‌دانیم. این یافته بینش جدیدی درباره ماهیت زمان در گرانش کوانتومی ارائه می‌دهد که می‌تواند برای توصیف پویایی‌ها به همان میزان مؤثر بودن زمان رایج استفاده شود.»

تمایز بین زمان روزمره و قوانین زیربنایی فیزیک بسیار مهم است. بسیاری از معادلات فیزیکی بنیادین چه زمان از نظر ریاضی معکوس شود و چه اجازه دهد به جلو حرکت کند، به همان خوبی کار می‌کنند. اما تجربه ما از جهان جهت مشخصی دارد: ما گذشته را به یاد می‌آوریم، نه آینده را، و رویدادها در توالی شناختی‌ای رخ می‌دهند.

آنتروپی نقش مرکزی در توضیح این تفاوت داشته است. آزمایش بارونتینی این ارتباط را با نشان دادن اینکه چگونه تغییرات آنتروپی می‌تواند معیار عملیاتی زمان را درون یک سیستم کوانتومی کنترل‌شده فراهم کند، فراتر می‌برد.

یافته‌ها همچنین فراتر از صرفاً مرتب کردن رویدادها به ترتیب صحیح می‌روند.

بارونتینی نشان داد که نسخه‌ای از معادله شرودینگر (Schrödinger equation)، یکی از معادلات بنیادین مکانیک کوانتومی، می‌تواند با استفاده از زمان آنتروپیک بیان شود. این معادله توصیف می‌کند که حالت کوانتومی یک سیستم چگونه تکامل می‌یابد، شامل تغییرات در احتمال یافتن ذرات در مکان‌ها یا حالت‌های خاص.

به عبارت دیگر، معیار زمان تولید شده درونی همچنان می‌تواند برای پیش‌بینی رفتار سیستم کوانتومی استفاده شود، همان‌طور که زمان متعارف در مکانیک کوانتومی استاندارد استفاده می‌شود.

برای دهه‌ها، پرسش‌ها درباره منشأ و ماهیت بنیادین زمان عمدتاً متعلق به فیزیک نظری بوده است، به ویژه کیهان‌شناسی کوانتومی و گرانش کوانتومی. این حوزه‌ها تلاش می‌کنند بفهمند جهان چگونه رفتار می‌کند وقتی اثرات کوانتومی و گرانش باید همزمان در نظر گرفته شوند، از جمله تحت شرایط افراطی مرتبط با کیهان اولیه.

آزمایش بارونتینی راهی برای بررسی برخی از این ایده‌ها با استفاده از سیستم‌های فیزیکی که دانشمندان می‌توانند آن‌ها را ایجاد، دستکاری و مشاهده کنند، ارائه می‌دهد.

جهان مینیاتوری همچنان به معادلات تثبیت‌شده فیزیک کوانتومی پایبند بود، در حالی که راه دیگری برای توصیف تکامل آن فراهم می‌کرد. این موضوع آن را به زمین آزمایشی بالقوه ارزشمند برای نظریه‌هایی تبدیل می‌کند که در آن‌ها فرض نمی‌شود زمان مستقل از سیستم مورد مطالعه وجود دارد.

آزمایش‌های آینده می‌توانند این رویکرد را به سیستم‌های کوانتومی پیچیده‌تر گسترش دهند و به پژوهشگران اجازه دهند مدل‌های مهبانگ و فروریزش بزرگ را با جزئیات بیشتری کاوش کنند. تکنیک‌های مشابه ممکن است در نهایت به شبیه‌سازی جنبه‌هایی از سیاه‌چاله‌ها یا تمایز بین توضیحات رقیب درباره چگونگی پدیدار شدن زمان کمک کنند.

این آزمایش ثابت نمی‌کند که زمان توهم است یا اثبات می‌کند که جهان ما فاقد زمان بنیادین است. در عوض، چیزی را نشان می‌دهد که قبلاً دشوار بود آزمایش شود: یک سیستم کوانتومی می‌تواند معیار داخلی معناداری از زمان داشته باشد بدون اینکه به ساعت خارجی وابسته باشد.

با ایجاد جهانی مینیاتوری از تنها ۲۴,۰۰۰ اتم، پژوهشگران ابزاری آزمایشی جدید برای بررسی پرسشی به دست آورده‌اند که قرن‌هاست فیزیکدانان و فیلسوفان را به چالش کشیده است: چه چیزی باعث جریان زمان می‌شود؟