دانشمندان جهانی بدون ساعت ساختند؛ آیا زمان واقعاً وجود ندارد؟

به گزارش مجله خبری نگار/اطلاعات آنلاین، یک محقق دانشگاه بیرمنگام با استفاده از ۲۴۰۰۰ اتم فوق سرد، یک سیستم کوانتومی منزوی ساخت که به طور مکرر منبسط و منقبض می‌شود و بیگ بنگ و احتمالاً بیگ کرانچ را تقلید می‌کند. نکته قابل توجه این است که این آزمایش نشان داد که زمان می‌تواند از تغییراتی که درون سیستم رخ می‌دهد و بدون تکیه بر یک ساعت خارجی، پدیدار شود.

چه می‌شود اگر زمان بخش بنیادی جهان نباشد بلکه چیزی باشد که از تغییراتی که درون آن رخ می‌دهد، پدیدار شود؟

پروفسور «جیووانی بارونتینی» با استفاده از هزاران اتم که تا دمای کمی بالاتر از صفر مطلق سرد شده‌اند، نشان داد که می‌توان گذر زمان را بدون تکیه بر یک ساعت خارجی اندازه‌گیری کرد. در عوض، نوعی از زمان به طور طبیعی از رفتار ذرات درون سیستم تجربی پدیدار می‌شود.

این یافته‌ها که در Physical Review Research منتشر شده‌اند، شواهد تجربی برای یک ایده جذاب در فیزیک نظری ارائه می‌دهند: زمان ممکن است یک جزء اساسی واقعیت نباشد. این می‌تواند از روابط و تغییراتی ناشی شود که در خود جهان رخ می‌دهد.

چرا برخی از فیزیکدانان فکر می‌کنند زمان ممکن است بنیادی نباشد؟

ما معمولاً زمان را چیزی می‌دانیم که به طور مداوم به جلو حرکت می‌کند؛ صرف نظر از آنچه در اطراف ما اتفاق می‌افتد. ثانیه‌ها می‌گذرند، سیارات به دور ستاره‌ها می‌چرخند و جهان تکامل می‌یابد. اما برخی از نظریه‌های فیزیک نشان می‌دهند که زمان ممکن است در بنیادی‌ترین سطح بسیار متفاوت عمل کند.

یک مثال، معادله «ویلر-دویت» است که در تلاش برای ترکیب مکانیک کوانتومی با گرانش ظاهر می‌شود. در این چارچوب، جهان را می‌توان به عنوان یک حالت کوانتومی واحد و تغییرناپذیر توصیف کرد، بدون هیچ ساعت خارجی که گذر زمان را نشان دهد. ذرات کوانتومی می‌توانند هم خواص موج‌مانند و هم خواص ذره‌مانند را از خود نشان دهند، اما جهان به عنوان یک کل لزوماً یک متغیر زمان داخلی ندارد.

این یک معمای بزرگ ایجاد می‌کند. اگر جهان هیچ ساعت خارجی نداشته باشد، چگونه ممکن است هر چیزی با ترتیب خاصی اتفاق بیفتد؟ چه چیزی تعیین می‌کند که کدام رویداد‌ها اول و کدام‌ها بعداً اتفاق می‌افتند؟

یک احتمال این است که زمان از روابط متغیر بین بخش‌های مختلف جهان پدیدار می‌شود. بارونتینی آزمایشی را طراحی کرد تا بررسی کند که آیا چنین فرآیندی را می‌توان در آزمایشگاه مشاهده کرد یا خیر.

ایجاد یک جهان مینیاتوری با ۲۴۰۰۰ اتم

بارونتینی برای ساخت کیهان مینیاتوری خود، از ابری متشکل از تقریباً ۲۴۰۰۰ اتم استفاده کرد که تا چند میلیاردم درجه بالاتر از صفر مطلق سرد شده بود. در این دما‌های فوق‌العاده پایین، اثرات کوانتومی اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کنند و به محققان اجازه می‌دهند رفتار‌هایی را مطالعه کنند که معمولاً مشاهده آنها دشوار است.

اتم‌ها درون یک سیستم کوانتومی با دقت کنترل شده که برای ایزوله ماندن از محیط اطراف خود طراحی شده بود، محصور شده بودند. دو پرتو لیزر که در فرکانس‌های مختلف عمل می‌کردند، مانع نازکی ایجاد کردند که سیستم را به دو ناحیه تقسیم می‌کرد: یک ناحیه مشاهده‌شده (روشن) و یک ناحیه مشاهده‌نشده (تاریک).

اگرچه سیستم کلی از جهان خارج ایزوله شده بود، اما اتم‌ها می‌توانستند بین این دو ناحیه حرکت کنند.

ناحیه روشن تحت چرخه‌های مکرر انبساط و انقباض قرار گرفت که شبیه نسخه‌های ساده‌شده‌ای از دو رویداد کیهانی چشمگیر بود. انبساط مشابه بیگ بنگ بود، در حالی که انقباض شبیه بیگ کرانچ، سرنوشت فرضی جهان که در آن انبساط کیهانی در نهایت معکوس می‌شود و همه چیز به سمت داخل فرو می‌ریزد.

این آزمایش این رویداد‌های کیهانی واقعی را بازسازی نکرد. در عوض، یک مدل کوانتومی ساده‌شده ارائه داد که در آن محققان می‌توانستند بررسی کنند که چگونه می‌توان توالی رویداد‌ها را بدون مراجعه به ساعتی خارج از سیستم بازسازی کرد.

چگونه زمان بدون ساعت پدیدار شد؟

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

بارونتینی به جای استفاده از ثانیه یا دقیقه، راهی برای ردیابی زمان از طریق تغییرات در نحوه توزیع اتم‌ها در جهان مینیاتوری ایجاد کرد.

با حرکت اتم‌ها بین مناطق روشن و تاریک، توزیع ذرات در منطقه روشن تغییر کرد. این تغییرات راهی برای تعریف پیشرفت سیستم در طول زمان فراهم کرد، حتی زمانی که منطقه روشن بین انبساط و انقباض متناوب بود.

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

نکته مهم این است که این به معنای توقف واقعی زمان در آزمایشگاه نبود. این به معنای آن بود که معیار داخلی زمان با ناپدید شدن تغییرات مربوطه در سیستم، از پیشرفت باز می‌ایستد.

بارونتینی این مفهوم را "زمان آنتروپیک" نامید. این آزمایش نشان داد که این شکل از زمان چندین ویژگی مهم دارد. این زمان به طور مداوم در یک جهت حرکت می‌کند و چیزی را که فیزیکدانان «پیکان زمان» می‌نامند، یعنی تمایز بین گذشته و آینده، ایجاد می‌کند. همچنین رویداد‌ها را در توالی صحیح قرار می‌دهد، حتی با اینکه جهان مینیاتوری منبسط و منقبض می‌شود.

شاید شگفت‌آورترین چیز این باشد که زمان آنتروپیک همیشه با سرعت یکسانی پیش نمی‌رود. پیشرفت آن می‌تواند بسته به نحوه تغییر آنتروپی در سیستم، سرعت بگیرد یا کند شود.

سرنخ جدیدی برای یکی از بزرگترین اسرار فیزیک

پروفسور بارونتینی گفت: «در برخی از نظریه‌های جهان، به ویژه گرانش کوانتومی، زمان به عنوان یک ویژگی ذاتی ظاهر نمی‌شود. با این حال، در زندگی روزمره، زمان از گذشته به آینده جریان دارد؛ چرا اینطور است، در حالی که اکثر قوانین اساسی فیزیک به طور یکسان به جلو و عقب عمل می‌کنند؟

این مطالعه اولین شواهد تجربی کنترل‌شده را ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد «زمان» را می‌توان با تغییرات درون یک سیستم تعریف کرد، نه به عنوان «ساعت تیک‌تاک» خارجی که ما به عنوان زمان در نظر می‌گیریم. این بینش جدیدی در مورد ماهیت زمان در گرانش کوانتومی ارائه می‌دهد که می‌تواند برای توصیف دینامیک به همان اندازه مؤثر زمان متعارف مورد استفاده قرار گیرد.

تمایز بین زمان روزمره و قوانین اساسی فیزیک از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. بسیاری از معادلات فیزیکی بنیادی، چه زمان از نظر ریاضی معکوس شود و چه به جلو حرکت کند، به یک اندازه خوب عمل می‌کنند. با این حال، تجربه ما از جهان جهت مشخصی دارد: ما گذشته را به یاد می‌آوریم، نه آینده را، و رویداد‌ها در یک توالی قابل تشخیص رخ می‌دهند.

آنتروپی مدت‌هاست که نقش محوری در توضیح این تفاوت ایفا می‌کند. آزمایش بارونتینی با نشان دادن اینکه چگونه تغییرات در آنتروپی می‌تواند یک معیار عملیاتی از زمان را در یک سیستم کوانتومی کنترل‌شده ارائه دهد، این ارتباط را بیشتر می‌کند.

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

بارونتینی نشان داد که نسخه‌ای از معادله شرودینگر، یکی از معادلات بنیادی مکانیک کوانتومی (شرودینگر) را می‌توان با استفاده از زمان آنتروپی بیان کرد. این معادله نحوه تکامل حالت کوانتومی یک سیستم، از جمله تغییرات در احتمال یافتن ذرات در مکان‌ها یا حالت‌های خاص را توصیف می‌کند.

به عبارت دیگر، معیار تولید شده داخلی همچنان می‌توان از زمان برای پیش‌بینی رفتار سیستم کوانتومی استفاده کرد، همانطور که از زمان متعارف در مکانیک کوانتومی استاندارد استفاده می‌شود.

آیا یک جهان کوچک می‌تواند به توضیح بیگ بنگ کمک کند؟

برای دهه‌ها، سوالات مربوط به منشأ و ماهیت بنیادی زمان عمدتاً به فیزیک نظری، به ویژه کیهان‌شناسی کوانتومی و گرانش کوانتومی، تعلق داشته است. این حوزه‌ها تلاش می‌کنند تا بفهمند که جهان چگونه رفتار می‌کند وقتی که اثرات کوانتومی و گرانش باید با هم در نظر گرفته شوند، از جمله در شرایط شدید مرتبط با کیهان اولیه.

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

جهان مینیاتوری همچنان از معادلات تثبیت‌شده فیزیک کوانتومی پیروی می‌کرد و در عین حال روش متفاوتی برای توصیف تکامل آن ارائه می‌داد. این امر آن را به یک زمینه آزمایش 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 محققان اجازه دهند مدل‌های بیگ بنگ و بیگ کرانچ را با جزئیات بیشتری بررسی کنند. تکنیک‌های مشابه در نهایت ممکن است به شبیه‌سازی جنبه‌های سیاه‌چاله‌ها یا تمایز بین توضیحات رقیب در مورد چگونگی ظهور زمان کمک کنند.

این آزمایش ثابت نمی‌کند که زمان یک توهم است یا ثابت نمی‌کند که جهان ما فاقد زمان بنیادی است. در عوض، چیزی را نشان می‌دهد که قبلاً آزمایش آن دشوار بود: یک سیستم کوانتومی می‌تواند بدون وابستگی به یک ساعت خارجی، یک معیار داخلی معنادار از زمان داشته باشد.