زمان پدیده ای درونی است نه بیرونی
ساخت نمونه کوچک جهان

یک آزمایش جدید در مقیاس کوانتومی نشان می‌دهد که زمان، به شکلی که ما تجربه می‌کنیم، لزوماً یک ساعت خارجی و مستقل نیست، بلکه می‌تواند از تغییرات درونی یک سیستم و جریان آنتروپی به عنوان معیاری از بی‌نظمی درون آن تعریف شود.

به گزارش سیناپرس، جهان کوانتومی دنیایی در تضاد با شهود بوده و در کوچک‌ترین مقیاس‌ها، ویژگی‌های اساسی فیزیکی مانند موقعیت و سرعت مبهم هستند و زمان به شکلی که ما می‌شناسیم، ظاهراً وجود ندارد. این ویژگی‌های عجیب کوانتومی، تلاش ما برای درک کیهان، ماهیت وجود و حتی کیفیت آگاهی با چالش مواجه می‌کند.

استدلال‌های ریاضی بنیادین از فیزیک نیوتنی، مکانیک کوانتومی، نسبیت و به‌ویژه معادله ویلر-دویت (Wheeler-DeWitt equation) نشان می‌دهد که زمان جهت ذاتی ندارد و ممکن است در عمیق‌ترین سطوح ناپدید شود. در مقابل، قانون دوم ترمودینامیک (افزایش entropy یا بی‌نظمی در سیستم‌های بسته) یک «پیکان» برای زمان ارائه می‌دهد که بر اساس آن کیهان از حالتی منظم آغاز شده و شاید به صورت نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت و به سمت بی‌نظمی بیشتر حرکت می‌کند.

برای کاوش ماهیت زمان و اینکه آیا زمان ویژگی بنیادین کیهان ماست، جیووانی بارونتینی (Giovanni Barontini)، فیزیک‌دان دانشگاه بیرمنگام ، یک «جهان کوچک» را از صفر ساخت.

برای توضیح این موضوع تصور کنید که زمان مثل ساعت روی دیوار نیست که همیشه تیک‌تاک کند، بلکه می‌تواند از داخل خود اجسام پدیدار شود. در این آزمایش کوانتومی، دانشمندان یک جهان خیلی کوچک از اتم‌های فوق‌العاده سرد ساختند و آن را به دو بخش تقسیم کردند: نخست جهان قابل مشاهده بوده دیگری دنیایی که پنهان بود.

در این جهان آزمایشگاهی، اتم‌ها شروع کردند به جابه‌جا شدن بین این دو بخش و با این حرکت، بی‌نظمی در سیستم افزایش یافت. این افزایش بی‌نظمی مثل یک جهت طبیعی عمل کرد و باعث شد «زمان» به طور خودکار ظاهر شود؛ درست مثل اینکه کیهان از حالت مرتب بعد از انفجار بزرگ به سمت بی‌نظمی بیشتر حرکت می‌کند و همین حرکت، حس گذر زمان را به ما می‌دهد. این آزمایش نشان می‌دهد که زمان شاید ویژگی اساسی جهان نباشد، بلکه از تغییرات و بی‌نظمی درون سیستم‌ها ساخته شود و به درک بهتری از قوانین عمیق کیهان کمک کند.

بارونتینی در این رابطه توضیح می‌دهد: این مطالعه نخستین شواهد آزمایشی کنترل‌شده را ارائه می‌دهد که بر اساس آن «زمان» را می‌توان از طریق تغییرات درون یک سیستم تعریف کرد، نه به عنوان ساعت خارجی که ما به آن فکر می‌کنیم.

طی این مطالعه برای اینکه زمان به طور طبیعی ظاهر شود، بارونتینی حدود ۲۴۰۰۰ اتم روبیدیم را تا میلیاردیم درجه بالای صفر مطلق خنک و ماده‌ای عجیب به نام چگالش بوز-اینشتین (Bose-Einstein condensate) ایجاد کرد. این حالت، که به عنوان پنجمین حالت ماده شناخته می‌شود، زمانی رخ می‌دهد که ذرات نزدیک صفر مطلق خنک شوند؛ فردیت خود را از دست می‌دهند و مانند یک «ابرذره» واحد رفتار می‌کنند.

بارونتینی این ماده را در یک تله نوری دوقطبی محصور و با استفاده از مانعی که از تقاطع دو پرتو لیزر با فرکانس‌های متفاوت ایجاد شده بود، آن را به دو بخش تقسیم کرد: بخش «روشن» که مشاهده می‌شد و بخش «تاریک» که مشاهده نمی‌شد. این ترکیب اجازه داد حس زمان با حرکت اتم‌ها بین دو بخش ظاهر شود.

در ادامه بارونتینی این بخش‌ها را به قسمت‌های مشاهده‌نشده کیهان واقعی مانند ماده تاریک و انرژی تاریک تشبیه می‌کند. به عبارت دیگر، حرکت اتم‌ها به عنوان ساعت عمل کرد و زمان را بر اساس جریان آنتروپی و معیاری از بی‌نظمی تعریف کرد، نه تیک‌تاک معمولی ساعت.

بارونتینی در این رابطه گفت: در آزمایش های ما جهان ایجاد شده، بخش مشاهده‌شده اتم‌ها و آنتروپی را با بخش مشاهده‌نشده مبادله می‌کند. از این تبادل آنتروپی، زمانی داخلی و «آنتروپیک» تعریف می‌کنیم. این زمان با مبادله آنتروپی افزایش می‌یابد و وقتی تبادل متوقف شود، متوقف می‌شود.

نکته جالب توجه این است که نوسان اتم‌ها از میان مانع به صورت ریتمیک مانند چرخه‌های تکراری انفجار بزرگ (Big Bang) و سپس انقباض بزرگ (Big Crunch) رخ می‌داد و شرایط ایجاد شده دقیقا مشابه فرضیه‌ای بود که پیشنهاد می‌کند ما در کیهانی چرخه‌ای بی‌پایان زندگی می‌کنیم.

بارونتینی در این رابطه گفت: به زبان ساده، جهان کوچک نیازی به پارامتر خارجی برای مرتب کردن رویدادها ندارد؛ جریان آنتروپی خودش تعیین می‌کند کدام رویداد بعدی است.

چنین جهان‌های کوچک، آزمایشگاه‌های ارزشمندی برای فیزیک هستند، زیرا سیستم‌های اتم سرد را می‌توان با دقت مهندسی کرد تا مکانیک‌های مرموز کیهان را بررسی کنیم. در این آزمایش همچنین می‌توان مرزهای سیاه‌چاله‌ها را با محصور کردن اتم‌ها در یک سمت جهان کوچک شبیه‌سازی کرد.

شرح کامل این پژوهش در آخرن شماره  مجله تخصصی Physical Review Research منتشر شده است.

مترجم: احسان محمدحسینی