یک فیزیکدان نظریه زمان را در یک مینی‌جهانِ خلق‌شده اثبات کرد

به گزارش مجله خبری نگار، زمان به نظر یکی از بدیهی‌ترین چیز‌ها در جهان است: به جلو حرکت می‌کند، ثانیه‌ها از پی دقیقه‌ها می‌آیند و گذشته را نمی‌توان به عقب برگرداند. با این حال، فیزیک مدرن مدت‌هاست که نشان داده است که چیز‌ها بسیار پیچیده‌تر هستند. زمان برای همه ناظران یکسان نیست؛ می‌تواند به دلیل گرانش قوی یا سرعت‌های بسیار زیاد کند شود. اکنون، دانشمندان یک سیستم کوانتومی کوچک در آزمایشگاه ایجاد کرده‌اند که برخی از ویژگی‌های جهان را شبیه‌سازی می‌کند و به آنها اجازه می‌دهد تا بررسی کنند که چگونه جریان زمان بسته به وضعیت دنیای اطراف تغییر می‌کند. این آزمایش به این معنی نیست که بشریت یاد گرفته است که زمان را کنترل کند، اما به فیزیکدانان راهی جدید برای کشف یکی از اسرارآمیزترین ویژگی‌های واقعیت می‌دهد. مقاله ایزوستیا توضیح می‌دهد که چرا زمان می‌تواند در مدل‌های ریاضی سریع‌تر، کندتر و حتی تقریباً ناپدید شود.

آزمایشی که باعث شد زمان به طور متفاوتی "حرکت" کند

آزمایش فیزیکدان جیووانی بارونتینی، که یک سیستم کوانتومی کوچک در آزمایشگاه او ایجاد کرد - نوعی "مینی-جهان" که در آن فرآیند‌هایی شبیه به رفتار دنیای واقعی وجود دارد - بحث جدیدی را در مورد ماهیت زمان برانگیخته است. این محقق از مدل کوانتومی برای بررسی یکی از پیچیده‌ترین ایده‌ها در فیزیک مدرن استفاده کرد: زمان همیشه یک پس‌زمینه مستقل نیست که رویداد‌ها در مقابل آن رخ می‌دهند، بلکه می‌تواند به وضعیت خود سیستم مرتبط باشد.

در زندگی روزمره، مردم زمان را به عنوان یک کمیت جهانی درک می‌کنند: به نظر می‌رسد که یک ثانیه باید برای همه در جهان یکسان باشد. با این حال، در اوایل قرن بیستم، نظریه نسبیت آلبرت انیشتین نشان داد که اینگونه نیست. فضا و زمان به هم پیوسته هستند و یک ساختار واحد - فضازمان - را تشکیل می‌دهند و خواص آن به حرکت اجسام و توزیع جرم در جهان بستگی دارد.

در آزمایش جدید، دانشمندان به معنای واقعی کلمه سعی در «متوقف کردن ساعت» نداشتند. در عوض، آنها یک سیستم فیزیکی ایجاد کردند که در آن می‌توانستند مشاهده کنند که چگونه توصیف ریاضی زمان در یک فرآیند کوانتومی تغییر می‌کند. چنین مدل‌هایی به محققان اجازه می‌دهد موقعیت‌هایی را مطالعه کنند که در مقیاس جهان قابل بازتولید نیستند: برای مثال، وقتی مفهوم زمان بخشی از خود سیستم کوانتومی می‌شود، چه اتفاقی برای آن می‌افتد.

جیووانی بارونتینی، فیزیکدان تجربی در دانشگاه بیرمنگام در بریتانیا

وقتی همه چیز را کنار هم می‌گذارید، واقعاً منطقی به نظر می‌رسد. نحوه‌ی سرعت گرفتن، کند شدن و حتی توقف زمان در سیستم - اینکه چقدر همه چیز به خوبی در یک راستا قرار گرفته بود، کاملاً تعجب‌آور بود. به نوعی، بسیار مرتب بود؛ و این چیزی است که اغلب در آزمایش‌ها اتفاق نمی‌افتد.

این ایده که زمان ممکن است رفتاری غیرعادی داشته باشد، مدت‌ها قبل از این آزمایش وجود داشته است. در چارچوب نظریه نسبیت عام انیشتین، دانشمندان ثابت کرده بودند که هر چه گرانش قوی‌تر باشد، زمان نسبت به ناظری که دور از منبع گرانش قرار دارد، کندتر می‌گذرد. ​​این اثر به عنوان اتساع زمان گرانشی شناخته می‌شود. این پدیده آنقدر واقعی است که حتی در فناوری‌های روزمره، مانند سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای، باید در نظر گرفته شود.

با این حال، آزمایش جدید چندان در مورد نسبیت کلاسیک نیست، بلکه تلاشی برای متحد کردن دو حوزه اساسی فیزیک - مکانیک کوانتومی و نظریه گرانش - است. دانشمندان هنوز فاقد یک نظریه کامل گرانش کوانتومی هستند که بتواند رفتار جهان را به طور همزمان در بزرگترین و کوچکترین مقیاس توضیح دهد. به همین دلیل است که فیزیکدانان در حال ایجاد مدل‌های آزمایشگاهی برای آزمایش ایده‌های خاص در مورد ماهیت فضا و زمان هستند.

چرا اصلاً زمان می‌تواند به شکل متفاوتی حرکت کند؟

برای درک اهمیت چنین آزمایش‌هایی، باید مفهوم مرسوم زمان به عنوان یک «جریان» تغییرناپذیر را کنار بگذاریم. در فیزیک کلاسیک، که توسط ایزاک نیوتن توسعه داده شد، زمان مطلق در نظر گرفته می‌شد: مستقل از رویداد‌ها وجود داشت و برای همه ناظران یکسان بود. اما نظریه نسبیت این مفهوم را کاملاً تغییر داد. انیشتین نشان داد که زمان بخشی از یک ساختار یکپارچه فضازمان است و می‌تواند بسته به شرایط تغییر کند.

یکی از مشهورترین مثال‌ها، سفر با سرعت‌های بسیار بالا است. طبق نظریه نسبیت خاص، جسمی که نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند، نسبت به ناظر ساکن، دچار اتساع زمان می‌شود. زمان برای مسافر به طور عادی می‌گذرد، اما پس از بازگشت، متوجه می‌شوند که زمان بیشتری روی زمین گذشته است. این اثر به عنوان اتساع زمان در حرکت شناخته می‌شود و توسط آزمایش‌های متعدد تأیید شده است.

عامل دیگر گرانش است. هرچه یک جسم جرم بیشتری داشته باشد، فضا-زمان را بیشتر به دور خود خم می‌کند. بنابراین، زمان برای یک ناظر بیرونی در نزدیکی یک سیاه‌چاله به طور قابل توجهی کندتر از فاصله دورتر به نظر می‌رسد. این اثر اغلب در داستان‌های علمی تخیلی مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما بر اساس محاسبات فیزیک واقعی است.

در زندگی روزمره، این اثرات تقریباً نامحسوس هستند، زیرا سرعت افراد و نیروی جاذبه بسیار ضعیف هستند. با این حال، فناوری‌های مدرن از قبل نسبیت زمان را در نظر می‌گیرند. به عنوان مثال، ماهواره‌های GPS در بالای سطح زمین قرار دارند و با سرعت بالایی حرکت می‌کنند، بنابراین ساعت‌های آنها کمی متفاوت از ساعت‌های روی زمین کار می‌کند. بدون تنظیم این تفاوت‌ها، سیستم ناوبری به سرعت شروع به تولید خطا می‌کند.

این آزمایش آزمایشگاهی جدید دقیقاً به این دلیل جالب است که بحث زمان را از مقیاس کیهانی به یک محیط کنترل‌شده منتقل می‌کند. دانشمندان اکنون این فرصت را دارند که نه تنها چگونگی تغییر زمان به دلیل حرکت یا گرانش، بلکه چگونگی ارتباط خود مفهوم زمان با فرآیند‌های کوانتومی را نیز بررسی کنند. این امر فیزیکدانان را به یکی از پرسش‌های اصلی علم مدرن نزدیک‌تر می‌کند: آیا زمان بخش بنیادی جهان است یا از قوانین عمیق‌تر طبیعت ناشی می‌شود.

چگونه دانشمندان «جهان‌های کوچک» را در آزمایشگاه‌ها خلق می‌کنند

برای مطالعه پدیده‌های پیچیده‌ای مانند ماهیت زمان، فیزیکدانان به طور فزاینده‌ای به جای مشاهده مستقیم جهان، به مدل‌های کوچک‌مقیاس از آن روی می‌آورند. در آزمایشگاه‌ها، دانشمندان با سیستم‌های کوانتومی کار می‌کنند که می‌توانند ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد فرآیند‌های فیزیکی بزرگ‌تر را بازتولید کنند. این شبیه به ایجاد یک مدل مقیاس‌بندی شده از یک هواپیما در تونل باد است: محققان در حال ساخت ماشین واقعی نیستند، اما می‌توانند قوانینی را که بر رفتار آن حاکم است، آزمایش کنند.

در آزمایش جدید، دانشمندان از اصول شبیه‌سازی کوانتومی استفاده کردند - شاخه‌ای از فیزیک که به فرد امکان می‌دهد سیستم‌های کنترل‌شده‌ای از اتم‌ها، یون‌ها یا سایر اشیاء کوانتومی ایجاد کرده و رفتار آنها را مشاهده کند. چنین تنظیماتی "شبیه‌ساز‌های کوانتومی" نامیده می‌شوند: آنها کل جهان را تکرار نمی‌کنند، اما به آزمایش مدل‌های ریاضی خاصی که نمی‌توان مستقیماً آنها را مطالعه کرد، کمک می‌کنند.

جیووانی بارونتینی توضیح می‌دهد که چگونه هنگام تماشای بازی پسرش با وسایل ساختمانی به این آزمایش رسید.

فکر کردم خیلی شبیه کاری است که ما در آزمایشگاه‌هایمان انجام می‌دهیم. ما با اسباب‌بازی‌های خیلی گران‌قیمت بازی می‌کنیم. ما نمونه‌های کوچک خودمان از واقعیت را می‌سازیم.

منحصر‌به‌فرد بودن دنیای کوانتومی این است که مفاهیم مرسوم علیت، وضعیت اشیاء و اندازه‌گیری در آنجا به طور متفاوتی عمل می‌کنند. ذرات می‌توانند در حالت‌هایی وجود داشته باشند که با منطق روزمره معمولی قابل توصیف نیستند و مشاهده یک سیستم خود بخشی از این فرآیند می‌شود. به همین دلیل است که آزمایش‌های کوانتومی به دانشمندان اجازه می‌دهد سوالاتی را بپرسند که قبلاً صرفاً نظری باقی مانده بودند: به عنوان مثال، آیا زمان ممکن است عنصری مستقل از واقعیت نباشد، بلکه نتیجه تعامل بین بخش‌های مختلف یک سیستم باشد؟

چنین تحقیقاتی به ویژه برای یکی از چالش برانگیزترین مسائل در فیزیک مدرن اهمیت دارد: یافتن ارتباط بین مکانیک کوانتومی و گرانش. امروزه دانشمندان دو نظریه بسیار موفق، اما با سازگاری ضعیف، دارند. نسبیت عام به طور کامل حرکت سیارات، ستارگان و سیاهچاله‌ها را توصیف می‌کند، در حالی که مکانیک کوانتومی رفتار اتم‌ها و ذرات بنیادی را توضیح می‌دهد، اما آنها هنوز در یک سیستم واحد متحد نشده‌اند.

به همین دلیل است که «مینی-جهان‌های» آزمایشگاهی به یکی از ابزار‌های فیزیک مدرن تبدیل شده‌اند. آنها به ما اجازه می‌دهند ایده‌های مربوط به قوانین اساسی طبیعت را بدون نیاز به انتظار برای رویداد‌های کیهانی نادر، آزمایش کنیم. به عنوان مثال، ایجاد یک سیاه‌چاله برای یک آزمایش یا تقریب شرایط اولین لحظات پس از بیگ بنگ غیرممکن است، اما دانشمندان می‌توانند فرآیند‌های منفردی را شبیه‌سازی کنند که به ما در درک ساختار آنها کمک می‌کند.

یک آزمایش جدید چه چیزی را در مورد ماهیت زمان آشکار می‌کند؟

نتیجه اصلی چنین مطالعاتی این است که زمان ممکن است آنطور که در زندگی روزمره به نظر می‌رسد، مفهومی بنیادی و بدون ابهام نباشد. فیزیک مدت‌هاست که این ایده را مطرح کرده است که درک جریان یکپارچه زمان ممکن است با فرآیند‌های عمیق‌تری مانند تغییرات در وضعیت سیستم‌ها و رشد آنتروپی مرتبط باشد.

آزمایش‌ها با سیستم‌های کوانتومی به ما کمک می‌کنند تا بررسی کنیم که چگونه حس آشنای ما از زمان از فرآیند‌های میکروسکوپی ناشی می‌شود. شاید زمان به عنوان یک "رودخانه" واحد که در سراسر جهان جریان دارد، وجود نداشته باشد، بلکه از تعامل عناصر متعدد پدیدار می‌شود. ایده‌های مشابهی در زمینه‌های مختلف فیزیک نظری، از جمله مطالعه گرانش کوانتومی، مورد بحث قرار می‌گیرند.

با این حال، این آزمایش جدید به این معنی نیست که دانشمندان یاد گرفته‌اند زمان را در دنیای واقعی سرعت بخشند یا متوقف کنند. این یک شبیه‌سازی است: فیزیکدانان پارامتر‌های یک سیستم کوچک را تغییر می‌دهند و مشاهده می‌کنند که چگونه توصیف ریاضی فرآیند‌ها تغییر می‌کند. این یک گام مهم در جهت درک قوانین اساسی طبیعت است، اما یک فناوری برای دستکاری زمان نیست.

امروزه دانشمندان زمان را نه تنها به عنوان یک واحد اندازه‌گیری، بلکه به عنوان یکی از عمیق‌ترین ویژگی‌های جهان هستی مطالعه می‌کنند. آزمایش‌های جدید به ما کمک می‌کنند تا به پاسخ سوالی که قرن‌ها بی‌پاسخ مانده است، نزدیک‌تر شویم: چرا اصلاً زمان وجود دارد و چرا دقیقاً در یک جهت حرکت می‌کند. شاید در آینده، تحقیقات در مورد «جهان‌های کوچک» کوانتومی به ما این امکان را بدهد که تصویر کامل‌تری از واقعیت - از کوچکترین ذرات گرفته تا ساختار کل کیهان - ایجاد کنیم.

در حالی که فیزیکدانان هنوز نمی‌توانند زمان را متوقف یا معکوس کنند، به چیزی به همان اندازه مهم دست یافته‌اند: آنها یاد گرفته‌اند که خودِ ایده زمان را به یک شیء تجربی تبدیل کنند. چیزی که زمانی پس‌زمینه تغییرناپذیر همه رویداد‌ها محسوب می‌شد، اکنون به یکی از بزرگترین اسرار علم تبدیل شده است؛ و هر «جهان کوچک» ایجاد شده در آزمایشگاه، محققان را به درک چگونگی عملکرد واقعیت در عمیق‌ترین سطح آن نزدیک‌تر می‌کند.