بشر هميشه به دنبال كشف جهان و دست يابي به تمام نيروهاي اطراف خود بوه است. در اين ميان دو چيز ذهن او را بسيار به خود مشغول نموده است، يكي نور و ديگري زمان. تا به اين لحظه بشر موفق به توجيه و تشخيص كامل اين دو پديده نشده است.
در اين مقاله سعي بر ارائه راه حل هاي جديد براي تشخيص اين دو پديده شده تا بتوان با تئوري هاي جديد، درب هاي جديدي از علم را به سوي بشر باز كنيم و گامي بلند تر از هميشه به سوي آينده علم و آنچه ناشناخته است برداريم. اين مقاله شروعي براي اين گام بلند است و به اميد آنكه بشر بتواند با تئوري هاي ارائه شده جديد در اين مقاله، شناخت خود را از جهان هستي افزايش دهد.
زمان چيست ؟
هنگامي كه به زمان فكر مي كنيم، به وسايل اندازه گيري گذشت زمان مانند ساعت و يا شايد بازه اي از زمان مانند ساعت يا دقيقه فكر مي كنيم، ولي درباره خود زمان فكر نمي كنيم. زمان چيست؟
دقيقاً ما چه چيزي را اندازه گيري مي كنيم؟
پاسخ را مي توانيم به اين صورت شروع كنيم كه ما در حال اندازه گيري بازه بين رويداد ها هستيم با استفاده از واحد هايي كه براي اين منظور تعريف كرده ايم.
ولي ما مي خواهيم بررسي كنيم كه دقيقاً اين "بازه" چيست.
ما هميشه زمان را به گونه اي كه "در حال حركت است" در نظر داريم، به صورتي كه به حالت پيوسته و جدايي ناپذير در جريان است. ولي آيا اين نظريه درست است؟
ما زمان را به گونه اي بيان مي كنيم كه از گذشته به حال و سپس به آينده در جريان است. ما خاطراتي از اتفاقات گذشته داريم، ولي البته هيچ خاطره اي از آينده نداريم. زمان براي ما اين خط مرجع را بوجود مي آورد كه اتفاقات به ترتيب وقوع مي توانند بر روي آن قرار گيرند، و در اين حالت ما مي توانيم تشخيص دهيم كه يك اتفاق قبل يا بعد از ديگري رخ داده است. و اين حالت است كه "پيكان زمان" را براي ما بوجود مي آورد. قابل توجه است كه در قوانين فيزيك موجود، هيچ توجيهي براي جريان زمان از گذشته به حال و سپس به آينده وجود ندارد. پس چه چيزي است كه به زمان جهت مي دهد؟ براي درك بهتر، مروري كوتاهي بر قوانين ترموديناميك مي كنيم.
در مقياس هاي كوچكتر از اتم، هيچگونه تمايزي بين گذشته و آينده وجود ندارد!
در يك واكنش ميان ذرات كوچكتر از يك اتم، ممكن است دو ذره به نحوي با يكديگر برخورد كنند، و بر اثر واكنش آنها با يكديگر دو ذره متفاوت ديگري را بوجود آورند و سپس از يكديگر جدا شوند. با توجه به قوانين كنوني فيزيك، هيچ دليلي وجود ندارد كه بتواند مانع از آن شود كه اين دو ذره مجدداً با يكديگر برخورد كنند و به حالت قبل از واكنش خود بازگردند. با مطالعه بر روي اين ذرات، تشخيص ترتيب واكنش ها و يا حتي اينكه آيا واكنشي رخ داده است يا خير، غير ممكن است. در اين مقياس، تشخيص گذشته از آينده با نگاه كردن به ذرات امكان پذير نيست.
در دنياي ماكروسكوپي و قابل ديدن با چشم، ما به راحتي پيكان زمان را مي توانيم تشخيص دهيم. اگر ما تصويري از يك ليوان پر از آب بر روي يك ميز را ببينيم و در كنار آن تصوير يك ليوان شكسته، كه از روي همان ميز بر روي زمين افتاده و آب هاي درون ليوان بر روي زمين ريخته را ببينيم، به راحتي مي توانيم ترتيب مراحل اين اتفاق را تشخيص دهيم. ما مي دانيم كه ذرات شكسته ليوان هرگز قادر به تركيب مجدد و بوجود آوردن ليوان نشكسته را ندارند و همچنين مي دانيم آبي كه بر روي زمين ريخته شده است، قادر به جمع شدن و بازگشت به ليوان را ندارد، ولي چرا ؟ با توجه به قوانين فيزيك فعلي، هر واكنشي شامل واكنش ميان اتم هايي مي باشد كه قايل برگشت به حالت قبل از واكنش هستند، مانند شيشه ليواني كه شكسته است و قابل بازگشت به حالت اول است و براي آب ليوان كه ريخته شده بر روي زمين نيز همين حالت صدق مي كند. ولي يك پيكان زمان درون اين اتفاق وجود دارد، كه از گذشته به سمت آينده مي رود. اين حالت هنگامي صدق مي كند كه ما با سيستم هاي پيچيده و متشكل از مقدار زيادي ذره روبرو هستيم. در چنين سيستم هايي مي توانيم بر اساس آناليز و تجزيه تغيير اجسام و با كمك علم ترموديناميك و رياضيات مربوطه روند تغيير از گذشته به آينده را تشخيص دهيم.
بنيادي ترين قانون فيزيك، قانون دوم ترموديناميك است. بر اساس اين قانون، جهان همواره به سمت بي نظمي پيش مي رود. به عبارت ديگر در يك سيستم بسته (جهان ما نيز يك سيستم بسته محسوب مي شود)، بي نظمي هميشه در حال افزايش است. اجسام هرگز نسبت به آنچه هستند منظم تر نمي شوند. براي مثال اگر شما يك جعبه اي كه درون آن يك پازل قرار داده ايد را به شدت تكان دهيد، بعد از باز كردن جعبه شما نمي توانيد انتظار داشته باشيد پازل به خودي خود ساخته شده باشد. توضيح اين حالت خيلي ساده است . عدم درست شدن پازل به اين دليل است كه حالت درست پازل فقط يك حالت است، در حالي كه حالت هاي اشتباه زيادي وجود دارد. بنابراين ما مدام با حالت اشتباه روبرو مي شويم. اگر براي مدت زمان طولاني اين حركت را ادامه دهيم، احتمال خيلي ضعيف وجود دارد كه پازل به صورت صحيح چيده شود، ولي اين حالت خيلي نادر است و در مقياس كل جهان، جهان احتمالاً زمان كافي براي پديد آوردن چنين حالتي را ندارد. بنابراين اگر ما سيستم هاي موجود در اين جهان را به حال خود رها كنيم، سيستم به حالت بي نظمي مي رود و نه به حالت نظم و اين حالت به ما پيكان زمان را تحويل مي دهد.
پيكان زمان ديگر، پيكان زمان انفجار بزرگ (Big-Bang) است و مي توان آنرا به عنوان پيكان زمان نهايي در نظر گرفت. در هر جا و در هر زمان در جهان هستي كه باشيد، انفجار بزرگ هميشه در قسمت گذشته زمان قرار دارد. ما همان پيكان را در انبساط جهان مي توانيم مشاهده كنيم. هرچه جهان پيرتر و منبسط تر مي شود، كهكشان ها از يكديگر دورتر مي شوند. كهكشان هايي كه به يكديگر نزديكتر هستند گذشته را و كهكشان هايي كه از يكديگر دور شده اند آينده را نشان مي دهند.
قانون اول ترموديناميك مي گويد كه مقدار انرژي در يك سيستم بسته هميشه ثابت است. مقدار كل انرژي موجود در جهان هنگام آفرينش آن مقدار دهي شده است، ولي قانون دوم ترموديناميك به ما مي گويد كه مقدار انرژي "قابل استفاده" رو به كاهش است. هنگامي كه تمامي ستاره ها و منابع ديگر انرژي موجود در جهان گرماي خود را از دست دهند، جهان به حالت تعادل گرمايي مي رسد و ديگر هيچ چيز تغيير نمي كند.
از مطالعه ترموديناميك در ارتباط با پيكان زمان چه چيزي آموختيم؟ آموختيم كه دليل برگشت پذيري واكنش ها و برهم كنش ها در مقياس ميكروسكوپي و عدم برگشت پذيري در مقياس ماكروسكوپي (چرا پيكان زمان رو به يك سمت و آن هم آينده است)، آن است كه قانون افزايش بي نظمي، يك قانون ثابت است؛ البته مقدار كمي كاهش در بي نظمي زياد مشكل ساز نيست و مانعي براي آن وجود ندارد. پس نتيجه مي گيريم كه زمان در مقياس ماكروسكوپي در يك جهت جريان دارد و آن هم از گذشته به آينده، كه البته در ادامه بحث بيشتر به اين موضوع مي پردازيم.
آيا يك "زمان ثابت جهاني" وجود دارد ؟
اگر ما دو عدد ساعت اتمي را كنار هم قرار دهيم و با يكديگر تنظيم كنيم كه هر دو يك ساعت را نشان دهند، مي دانيم كه حتي اگر سال ها هم تيك-تاك كنند، باز هم هر دو يك ساعت را نشان خواهند داد. ولي اگر آنها را از هم جدا كنيم و يكي از آنها را بر روي كره زمين نگه داريم و ديگري را به يك "سفر به دور دنيا" بفرستيم، هنگام بازگشت خواهيم ديد كه ساعتي كه در سفر به دور دنيا بوده است، كسري از ثانيه عقب تر است. فقط كسري از ثانيه، ولي حقيقت دارد. سفر به دور دنيا واقعاً شما را جوان تر نگه مي دارد! اين فقط يك نظريه نيست، بلكه آزمايشات مختلفي از جمله آزمايش ذكر شده انجام شده است و نتيجه ثبت شده، اين تئوري را تاييد مي كند. پس اينجا چه خبر است؟ جواب اين سوال را مي توان در نظريه نسبيت انيشتين يافت، زيرا اين نظريه به ما مي گويد كه هر چه جسمي سريعتر حركت كند، زمان براي آن جسم كندتر مي گذرد. تا آنكه به سرعت نور برسد كه در آن حالت زمان براي جسم به صفر مي رسد. اين حالت تحت عنوان "تاخير زمان" شناخته مي شود و در حركت هاي روزانه ما بسيار ناچيز و ناملموس مي باشد ولي در سرعت هاي بالاتر قابل لمس مي گردد. براي مثال، براي "تاخير زمان" هايي كه ما با آن آشنا باشيم، مي توان يك فضانورد را مثال زد كه به مدت يك سال در ايستگاه فضايي زندگي مي كند، 0.0085 ثانيه كمتر از ما كه بر روي زمين زندگي مي كنيم زمان برايش گذشته است، كه البته مقدار زمان قابل لمسي نمي باشد.
بايد به اين نكته توجه داشت كه سرعت هاي بالا و سرعت نزديك سرعت نور، بر روي سرعت حركت ساعت تاثير نمي گذارد، بلكه خود زمان است كه كند مي شود.
البته بايد توجه داشت كه سرعت گذر زمان ارتباط مستقيم با سرعت ناظر دارد ولي مورد ديگري كه بايد مد نظر گرفت جاذبه است (كه در ادامه به اصل جاذبه مي پردازيم). ميدان هاي جاذبه اي قوي، مانند آنچه در نزديكي سياهچاله ها يافت مي شوند، باعت گذشت زمان بيشتري مي شوند.
براي پاسخ به سوال اصلي، كه آيا يك "زمان ثابت جهاني" وجود دارد ؟ جواب اين سوال صريحاً خير است. تنها نكته اي كه قابل ذكر است آن است كه تمامي ما زمان را با سرعت هاي متفاوت كه بستگي به سرعت ما و جاذبه حاكم بر ما دارد تجربه مي كنيم.
در اين مقاله سعي بر ارائه راه حل هاي جديد براي تشخيص اين دو پديده شده تا بتوان با تئوري هاي جديد، درب هاي جديدي از علم را به سوي بشر باز كنيم و گامي بلند تر از هميشه به سوي آينده علم و آنچه ناشناخته است برداريم. اين مقاله شروعي براي اين گام بلند است و به اميد آنكه بشر بتواند با تئوري هاي ارائه شده جديد در اين مقاله، شناخت خود را از جهان هستي افزايش دهد.
زمان چيست ؟
هنگامي كه به زمان فكر مي كنيم، به وسايل اندازه گيري گذشت زمان مانند ساعت و يا شايد بازه اي از زمان مانند ساعت يا دقيقه فكر مي كنيم، ولي درباره خود زمان فكر نمي كنيم. زمان چيست؟
دقيقاً ما چه چيزي را اندازه گيري مي كنيم؟
پاسخ را مي توانيم به اين صورت شروع كنيم كه ما در حال اندازه گيري بازه بين رويداد ها هستيم با استفاده از واحد هايي كه براي اين منظور تعريف كرده ايم.
ولي ما مي خواهيم بررسي كنيم كه دقيقاً اين "بازه" چيست.
ما هميشه زمان را به گونه اي كه "در حال حركت است" در نظر داريم، به صورتي كه به حالت پيوسته و جدايي ناپذير در جريان است. ولي آيا اين نظريه درست است؟
ما زمان را به گونه اي بيان مي كنيم كه از گذشته به حال و سپس به آينده در جريان است. ما خاطراتي از اتفاقات گذشته داريم، ولي البته هيچ خاطره اي از آينده نداريم. زمان براي ما اين خط مرجع را بوجود مي آورد كه اتفاقات به ترتيب وقوع مي توانند بر روي آن قرار گيرند، و در اين حالت ما مي توانيم تشخيص دهيم كه يك اتفاق قبل يا بعد از ديگري رخ داده است. و اين حالت است كه "پيكان زمان" را براي ما بوجود مي آورد. قابل توجه است كه در قوانين فيزيك موجود، هيچ توجيهي براي جريان زمان از گذشته به حال و سپس به آينده وجود ندارد. پس چه چيزي است كه به زمان جهت مي دهد؟ براي درك بهتر، مروري كوتاهي بر قوانين ترموديناميك مي كنيم.
در مقياس هاي كوچكتر از اتم، هيچگونه تمايزي بين گذشته و آينده وجود ندارد!
در يك واكنش ميان ذرات كوچكتر از يك اتم، ممكن است دو ذره به نحوي با يكديگر برخورد كنند، و بر اثر واكنش آنها با يكديگر دو ذره متفاوت ديگري را بوجود آورند و سپس از يكديگر جدا شوند. با توجه به قوانين كنوني فيزيك، هيچ دليلي وجود ندارد كه بتواند مانع از آن شود كه اين دو ذره مجدداً با يكديگر برخورد كنند و به حالت قبل از واكنش خود بازگردند. با مطالعه بر روي اين ذرات، تشخيص ترتيب واكنش ها و يا حتي اينكه آيا واكنشي رخ داده است يا خير، غير ممكن است. در اين مقياس، تشخيص گذشته از آينده با نگاه كردن به ذرات امكان پذير نيست.
در دنياي ماكروسكوپي و قابل ديدن با چشم، ما به راحتي پيكان زمان را مي توانيم تشخيص دهيم. اگر ما تصويري از يك ليوان پر از آب بر روي يك ميز را ببينيم و در كنار آن تصوير يك ليوان شكسته، كه از روي همان ميز بر روي زمين افتاده و آب هاي درون ليوان بر روي زمين ريخته را ببينيم، به راحتي مي توانيم ترتيب مراحل اين اتفاق را تشخيص دهيم. ما مي دانيم كه ذرات شكسته ليوان هرگز قادر به تركيب مجدد و بوجود آوردن ليوان نشكسته را ندارند و همچنين مي دانيم آبي كه بر روي زمين ريخته شده است، قادر به جمع شدن و بازگشت به ليوان را ندارد، ولي چرا ؟ با توجه به قوانين فيزيك فعلي، هر واكنشي شامل واكنش ميان اتم هايي مي باشد كه قايل برگشت به حالت قبل از واكنش هستند، مانند شيشه ليواني كه شكسته است و قابل بازگشت به حالت اول است و براي آب ليوان كه ريخته شده بر روي زمين نيز همين حالت صدق مي كند. ولي يك پيكان زمان درون اين اتفاق وجود دارد، كه از گذشته به سمت آينده مي رود. اين حالت هنگامي صدق مي كند كه ما با سيستم هاي پيچيده و متشكل از مقدار زيادي ذره روبرو هستيم. در چنين سيستم هايي مي توانيم بر اساس آناليز و تجزيه تغيير اجسام و با كمك علم ترموديناميك و رياضيات مربوطه روند تغيير از گذشته به آينده را تشخيص دهيم.
بنيادي ترين قانون فيزيك، قانون دوم ترموديناميك است. بر اساس اين قانون، جهان همواره به سمت بي نظمي پيش مي رود. به عبارت ديگر در يك سيستم بسته (جهان ما نيز يك سيستم بسته محسوب مي شود)، بي نظمي هميشه در حال افزايش است. اجسام هرگز نسبت به آنچه هستند منظم تر نمي شوند. براي مثال اگر شما يك جعبه اي كه درون آن يك پازل قرار داده ايد را به شدت تكان دهيد، بعد از باز كردن جعبه شما نمي توانيد انتظار داشته باشيد پازل به خودي خود ساخته شده باشد. توضيح اين حالت خيلي ساده است . عدم درست شدن پازل به اين دليل است كه حالت درست پازل فقط يك حالت است، در حالي كه حالت هاي اشتباه زيادي وجود دارد. بنابراين ما مدام با حالت اشتباه روبرو مي شويم. اگر براي مدت زمان طولاني اين حركت را ادامه دهيم، احتمال خيلي ضعيف وجود دارد كه پازل به صورت صحيح چيده شود، ولي اين حالت خيلي نادر است و در مقياس كل جهان، جهان احتمالاً زمان كافي براي پديد آوردن چنين حالتي را ندارد. بنابراين اگر ما سيستم هاي موجود در اين جهان را به حال خود رها كنيم، سيستم به حالت بي نظمي مي رود و نه به حالت نظم و اين حالت به ما پيكان زمان را تحويل مي دهد.
پيكان زمان ديگر، پيكان زمان انفجار بزرگ (Big-Bang) است و مي توان آنرا به عنوان پيكان زمان نهايي در نظر گرفت. در هر جا و در هر زمان در جهان هستي كه باشيد، انفجار بزرگ هميشه در قسمت گذشته زمان قرار دارد. ما همان پيكان را در انبساط جهان مي توانيم مشاهده كنيم. هرچه جهان پيرتر و منبسط تر مي شود، كهكشان ها از يكديگر دورتر مي شوند. كهكشان هايي كه به يكديگر نزديكتر هستند گذشته را و كهكشان هايي كه از يكديگر دور شده اند آينده را نشان مي دهند.
قانون اول ترموديناميك مي گويد كه مقدار انرژي در يك سيستم بسته هميشه ثابت است. مقدار كل انرژي موجود در جهان هنگام آفرينش آن مقدار دهي شده است، ولي قانون دوم ترموديناميك به ما مي گويد كه مقدار انرژي "قابل استفاده" رو به كاهش است. هنگامي كه تمامي ستاره ها و منابع ديگر انرژي موجود در جهان گرماي خود را از دست دهند، جهان به حالت تعادل گرمايي مي رسد و ديگر هيچ چيز تغيير نمي كند.
از مطالعه ترموديناميك در ارتباط با پيكان زمان چه چيزي آموختيم؟ آموختيم كه دليل برگشت پذيري واكنش ها و برهم كنش ها در مقياس ميكروسكوپي و عدم برگشت پذيري در مقياس ماكروسكوپي (چرا پيكان زمان رو به يك سمت و آن هم آينده است)، آن است كه قانون افزايش بي نظمي، يك قانون ثابت است؛ البته مقدار كمي كاهش در بي نظمي زياد مشكل ساز نيست و مانعي براي آن وجود ندارد. پس نتيجه مي گيريم كه زمان در مقياس ماكروسكوپي در يك جهت جريان دارد و آن هم از گذشته به آينده، كه البته در ادامه بحث بيشتر به اين موضوع مي پردازيم.
آيا يك "زمان ثابت جهاني" وجود دارد ؟
اگر ما دو عدد ساعت اتمي را كنار هم قرار دهيم و با يكديگر تنظيم كنيم كه هر دو يك ساعت را نشان دهند، مي دانيم كه حتي اگر سال ها هم تيك-تاك كنند، باز هم هر دو يك ساعت را نشان خواهند داد. ولي اگر آنها را از هم جدا كنيم و يكي از آنها را بر روي كره زمين نگه داريم و ديگري را به يك "سفر به دور دنيا" بفرستيم، هنگام بازگشت خواهيم ديد كه ساعتي كه در سفر به دور دنيا بوده است، كسري از ثانيه عقب تر است. فقط كسري از ثانيه، ولي حقيقت دارد. سفر به دور دنيا واقعاً شما را جوان تر نگه مي دارد! اين فقط يك نظريه نيست، بلكه آزمايشات مختلفي از جمله آزمايش ذكر شده انجام شده است و نتيجه ثبت شده، اين تئوري را تاييد مي كند. پس اينجا چه خبر است؟ جواب اين سوال را مي توان در نظريه نسبيت انيشتين يافت، زيرا اين نظريه به ما مي گويد كه هر چه جسمي سريعتر حركت كند، زمان براي آن جسم كندتر مي گذرد. تا آنكه به سرعت نور برسد كه در آن حالت زمان براي جسم به صفر مي رسد. اين حالت تحت عنوان "تاخير زمان" شناخته مي شود و در حركت هاي روزانه ما بسيار ناچيز و ناملموس مي باشد ولي در سرعت هاي بالاتر قابل لمس مي گردد. براي مثال، براي "تاخير زمان" هايي كه ما با آن آشنا باشيم، مي توان يك فضانورد را مثال زد كه به مدت يك سال در ايستگاه فضايي زندگي مي كند، 0.0085 ثانيه كمتر از ما كه بر روي زمين زندگي مي كنيم زمان برايش گذشته است، كه البته مقدار زمان قابل لمسي نمي باشد.
بايد به اين نكته توجه داشت كه سرعت هاي بالا و سرعت نزديك سرعت نور، بر روي سرعت حركت ساعت تاثير نمي گذارد، بلكه خود زمان است كه كند مي شود.
البته بايد توجه داشت كه سرعت گذر زمان ارتباط مستقيم با سرعت ناظر دارد ولي مورد ديگري كه بايد مد نظر گرفت جاذبه است (كه در ادامه به اصل جاذبه مي پردازيم). ميدان هاي جاذبه اي قوي، مانند آنچه در نزديكي سياهچاله ها يافت مي شوند، باعت گذشت زمان بيشتري مي شوند.
براي پاسخ به سوال اصلي، كه آيا يك "زمان ثابت جهاني" وجود دارد ؟ جواب اين سوال صريحاً خير است. تنها نكته اي كه قابل ذكر است آن است كه تمامي ما زمان را با سرعت هاي متفاوت كه بستگي به سرعت ما و جاذبه حاكم بر ما دارد تجربه مي كنيم.