چرا زمان فقط رو به جلو می‌رود؟

دیجی کالا مگ: فکر کنید که دارید یک شانه‌ تخم مرغ حمل می‌کنید که ناگهان پایتان به جایی گیر می‌کند. همه‌ی تخم مرغ‌ها روی زمین می‌ریزند و می‌شکنند. کف اتاق افتضاح می‌شود و باید همه‌ جا را تمیز کنید. احتمالا فرش را باید بشویید و دیوار را با دستمال پاک کنید. ولی آیا بهترین راه همین تمیز کردن است؟ نمی‌شود مثل داستان هری‌پاتر با یک عجی مجی لاترجی، تخم مرغ‌ها را دوباره به سر جای اولشان بازگرداند؟ یا به بیان دیگر نمی‌شود فیلم را برعکس کرد تا همه‌چیز مثل روز اول شود؟ در زندگی روزمره‌ای که ما می‌شناسیم و آن را تجربه می‌کنیم، جوابش خیر است. زمان هیچ‌وقت به عقب باز نمی‌گردد و وارونه نمی‌شود. ولی جالب این‌جاست که هیچ یک از قوانین بنیادین طبیعت، بازگشت زمان را غیر ممکن نمی‌دانند. اتفاقا فیزیک به ما می‌گوید که همه‌ی رویدادهای روزمره‌ی زندگی ما می‌توانند به عقب بازگردانده شوند. پس چرا نمی‌توانیم فرایند شکسته شدن تخم مرغ‌ها را برعکس و آن‌ها را دوباره سالم کنیم؟ چرا نمی‌توانیم به گذشته‌های دور و زمان پادشاهان قدیم بازگردیم؟ چرا زمان همیشه فقط رو به جلو می‌رود؟


به گزارش بی بی سی انگلیسی، پاسخ این سوال نسبتا پیچیده است. برای جواب دادن به آن باید به زمانی که عالم متولد شد بازگردیم و به دنیای ذرات زیر اتمی وارد شویم. برای پاسخ به این پرسش، باید به عجیب‌ترین قسمت‌هایی که فیزیک در آن‌ها مطالعه می‌کند برویم. درست مثل بسیاری از داستان‌هایی که درباره‌ی فیزیک تعریف می‌کنیم، قصه‌ی زمان را هم باید با آیزاک نیوتون شروع کنیم.

سال ۱۶۶۶ در انگلستان بیماری طاعون شیوع پیدا کرد. نیوتون جوان مجبور شد برای اینکه بیمار نشود، دانشگاه کمبریج را ترک کند و با مادرش به حومه‌ی شهر لینکلن‌شایر برود. نیوتون که آن‌جا حسابی حوصله‌اش سر رفته‌ بود، به پژوهش‌هایش در زمینه‌ی فیزیک مشغول شد. او در این مدت روی «قوانین حرکت» کار کرد و توضیحاتی درباره‌ی چگونگی کارکرد گرانش ارائه داد. قوانین نیوتون به طرز عجیبی در توصیف کردن پدیده‌های مکانیکی جهان موفق هستند. این قوانین به خوبی توضیح می‌دهند که چرا سیب از درخت می‌افتد و چرا زمین به دور خورشید می‌گردد. ولی یک نکته‌ی عجیب هم دارند. این قوانین همان‌طور که در گذر رو به جلوی زمان کار می‌کنند، در گذر زمان رو به عقب هم عمل می‌کنند! طبق قوانین نیوتون، اگر تخم مرغ‌ها روی زمین بیفتند و بشکنند، می‌توان فیلم را برعکس کرد تا دوباره تخم مرغ‌ها سالم در شانه‌ی تخم مرغ قرار بگیرند.


خیلی غیر منطقی به نظر می‌رسد، ولی تقریبا همه‌ی نظریه‌‌های فیزیک که بعد از نیوتون داده شد هم فرقی میان گذشته و آینده قائل نبودند. به زبان ساده باید گفت که قوانین فیزیک هیچ اهمیتی به اینکه زمان رو به جلو می‌رود یا رو به عقب نمی‌دهند و در هر صورت به خوبی کار می‌کنند. این درحالیست که مغز ما همیشه گذر زمان را رو به جلو می‌بیند. تجربه‌ی زندگی به ما نشان می‌دهد که پیکان زمان رو به جلو حرکت می‌کند. «شان کارول» که فیزیک‌دانی از انستیتوی فناوری کالیفرنیا در پاسادنا است می‌گوید: «ممکن است در تشخیص غرب و شرق اشتباه کنید، ولی امروز و دیروز را قاطی نمی‌کنید.»

بولتزمن ناکام

اولین دانشمندی که خیلی جدی در پی حل این مشکل و فهم اینکه چرا زمان فقط رو به جلو می‌رود رفت، فیزیک‌دانی اتریشی به نام «لودویگ بولتزمن» بود. او در اواخر قرن نوزدهم زندگی می‌کرد و آن زمان خیلی از چیزهایی که اکنون برای ما بدیهی به نظر می‌رسد، محل مناقشه بود. مثلا آن موقع فیزیک‌دان‌ها درباره‌ی اینکه همه‌ی مواد از اتم ساخته شده‌اند، اتفاق نظر نداشتند. بسیاری از آن‌ها می‌گفتند که این ایده را نمی‌توان آزمایش کرد.

ولی بولتزمن قانع شده بود که اتم‌ها وجود دارند. او از مفهوم اتم‌ برای توصیف پدیده‌هایی که هر روز می‌بینیم، مثل اینکه چرا آتش نور ساطع می‌کند یا اینکه چرا وقتی چای را فوت می‌کنیم، خنک می‌شود استفاده کرد. او فکر می‌کرد که می‌تواند با استفاده از مفهوم اتم‌ها، همه‌ی این پدیده‌ها را معنی‌دار بکند.

بیشتر فیزیک‌دان‌ها علاقه‌ای به نظریات بولتزمن نداشتند. در حقیقت او به خاطر صحبت‌هایش از جامعه‌ی فیزیک‌دان‌ها طرد شد. به خصوص زمانی که درباره‌ی ایده‌هایش از ماهیت گرما صحبت کرد، حسابی به مشکل خورد. البته در نگاه اول به نظر نمی‌رسد که ایده‌های او درباره‌ی گرما، ربطی به طبیعت زمان داشته باشد، ولی بولتزمن نشان داد که گرما و زمان به شکلی عجیب با یکدیگر در ارتباط هستند.

در زمان بولتزمن، فیزیک‌دان‌ها به نظریه‌ی ترمودینامیک رسیده بودند. نظریه‌ای که چگونگی رفتار گرما را توصیف می‌کند. برای مثال ترمودینامیک دقیقا توضیح می‌دهد که یک یخچال چگونه می‌تواند در هوای گرم، غذا را سرد نگه دارد. مخالفان بولتزمن می‌گفتند که گرما را نمی‌توان با چیزی غیر از خود آن توصیف کرد و گرما فقط گرما است. بولتزمن تصمیم گرفت ثابت کند که آن‌ها اشتباه می‌کنند. او فکر کرد که گرما احتمالا بر اثر حرکت اتم‌ها بوجود می‌آید و کل ترمودینامیک را می‌توان از این راه توضیح داد. حق با او بود، ولی خوب باقی عمرش به قانع کردن دیگران گذشت.


بولتزمن در قانع کردن دیگران، از مفهومی عجیب به نام «انتروپی» سخن گفت. هر جرمی در عالم دارای مقدار خاصی انتروپی است. هرچه بر سر آن جرم می‌آید باعث می‌شود که انتروپی‌اش افزایش پیدا کند. برای مثال اگر تعدادی قالب یخ را در یک لیوان آب قرار دهید، به مرور زمان ذوب می‌شوند و آنتروپی داخل لیوان افزایش می‌یابد.

افزایش انتروپی مثل دیگر پدیده‌های فیزیک دو طرفه نیست. انتروپی فرایندی است که فقط به یک سو می‌رود و زیاد می‌شود. کسی نمی‌داند چرا انتروپی فقط زیاد می‌شود و کم نمی‌شود. همکاران بولتزمن می‌گفتند که نمی‌شود چرایی زیاد شدن انتروپی را توضیح داد. بولتزمن همچنان قانع نشده بود و به دنبال تعمق بیشتر در انتروپی رفت. نتیجه‌ی تلاش‌های بولتزمن، کشفی بزرگ درباره‌ی انتروپی بود. کشفی ‌چنان بزرگ که فرمول آن را روی سنگ قبرش حک کرده‌اند.

بولتزمن فهمید که انتروپی در حقیقت تعداد حالت‌هایی است که اتم‌ها و میزان انرژی آن‌ها، می‌توانند در آن‌ها قرار بگیرند. وقتی انتروپی افزایش می‌یابد، بی‌نظمی زیاد می‌شود و اتم‌ها می‌توانند با چینش‌های مختلفی در کنار هم قرار بگیرند. طبق گفته‌ی بولتزمن، این همان اتفاقی است که به هنگام ذوب شدن یخ در آب می‌افتد. وقتی آب به صورت مایع است، حالت‌های خیلی بیشتری برای قرار گرفتن مولکول‌های آن در کنار هم وجود دارد. در حقیقت یخ به حالت‌های مختلفی می‌تواند ذوب شود ولی حالت‌های جامد بودن آب خیلی کمتر است.

در موردی مشابه، وقتی که یک قطره کرم در قهوه می‌ریزید، کرم کم کم در تمام فنجان قهوه پخش می‌شود و این دقیقا نشانگر افزایش انتروپی است. در حقیقت حالت‌های بیشتری برای اینکه کرم در تمام فنجان پخش شود نسبت به اینکه در قسمت کوچکی از آن باقی بماند، وجود دارد.

اجرام با انتروپی کم، منظم هستند و احتمال وجود داشتنشان زیاد نیست. اجرام با انتروپی زیاد نامنظم هستند و این باعث می‌شود که احتمال وجود داشتنشان زیاد شود. انتروپی همیشه زیاد می‌شود چرا که برای اجرام، نامنظم بودن آسان‌تر از منظم بودن است. به نظر می‌رسد این توصیف بولتزمن از انتروپی، می‌تواند به خوبی نشان دهنده‌ی پیکان یک طرفه‌ی زمان باشد. اگر عالم همیشه در حال گذار از انتروپی کم به انتروپی زیاد است، در نتیجه ما هیچ‌وقت نباید گذر زمان را به صورت وارونه ببینیم. ما نمی‌توانیم ببینیم که تخم مرغ شکسته شده دوباره سر هم می‌شود. حالات زیادی برای چیدن قطعات تخم مرغ در کنار هم وجود دارد. تقریبا همه‌ی این حالت‌ها به یک تخم مرغ شکسته و نه تخم مرغی سالم ختم می‌شوند.


این تعریف بولتزمن نشان می‌دهد که چرا ما می‌توانیم گذشته و نه آینده را به یاد بیاوریم. مخالفش را تصور کنید. اینکه خاطره‌ی رویدادی که در آینده رخ می‌دهد را داشته باشید و وقتی آن رویداد رخ می‌دهد، خاطره پاک بشود. احتمال اینکه چنین چیزی برای شما رخ بدهد خیلی کم است. طبق گفته‌ی بولتزمن، اینکه آینده با گذشته تفاوت می‌کند به دلیل افزایش انتروپی است.

بولتزمن می‌گوید به دلیل احتمالات حالات قرارگیری اجرام کوچک مثل اتم‌ها،‌ وقتی به سوی آینده می‌روید انتروپی افزایش می‌یابد. ولی خود این اجرام کوچک از قوانین بنیادین فیزیک پیروی می‌کنند و این قوانین فرقی میان گذشته و آینده قائل نیستند. بنابراین استدلال بولتزمن قابل بحث است. اگر بگویید که با رفتن به آینده انتروپی افزایش می‌یابد، می‌توانید برعکس آن را نیز تصور کنید و بگویید که با بازگشت به گذشته هم انتروپی افزایش می‌یابد.

بولتزمن به این شکل فکر کرد، چرا که احتمال وجود تخم مرغ‌های شکسته بیشتر از احتمال وجود تخم مرغ‌های سالم است. منطقی به نظر می‌رسد که انتظار داشته باشیم تخم مرغ‌های سالم به تخم مرغ‌های شکسته تبدیل شوند. ولی معنی دیگری هم وجود دارد. تخم مرغ‌های سالم خیلی نادر و نامحتمل هستند. بنابراین تخم مرغ‌ها باید بیشتر زمانشان را شکسته باشند. گاهی اوقات این قطعات می‌توانند به یکدیگر وصل شوند تا برای لحظه‌ای سالم شوند و دوباره به حالت شکسته باز گردند. می‌توان از ایده‌ی بولتزمن درباره‌ی انتروپی برای استدلال اینکه آینده و گذشته باید شبیه به هم به نظر برسند استفاده کرد. ولی این چیزی نیست که در زندگی روزمره با آن برخورد می‌کنیم. انگار که به خانه‌ی اول بازگشتیم. پس چرا پیکان زمان یک طرفه است؟


فرضیه‌ی گذشته

بولتزمن برای این مشکل چند راه‌حل ارائه داد. راه حلی که از همه بهتر کار کرد به «فرضیه‌ی گذشته» (Past Hypothesis) معروف شد. این راه‌حل خیلی ساده است. در نقطه‌ای از زمان و گذشته‌ی دور، انتروپی عالم خیلی کم بود. اگر این گزاره درست باشد، مشکل استدلال بولتزمن هم حل می‌شود. آینده و گذشته خیلی متفاوت به نظر می‌رسند چرا که انتروپی گذشته خیلی کمتر از آینده است. بنابراین تخم مرغ‌ها می‌شکنند و دیگر سالم نمی‌شوند.

این راه حل جالب به نظر می‌رسد، ولی سوال این‌جاست که چرا فرضیه‌ی گذشته باید درست باشد؟ انتروپی کم محتمل نیست ولی چرا در گذشته‌ی دور انتروپی عالم کم بوده؟ بولتزمن هیچ وقت نتوانست پاسخ آن را بفهمد و حسابی از جامعه‌ی علمی طرد شده بود. او که افسرده شده بود در سال ۱۹۰۶ خودش را دار زد. خودکشی بولتزمن خیلی تراژیک بود به خصوص اینکه در عرض یک دهه فیزیک‌دان‌ها ایده‌ی او درباره‌ی اتم‌ را پذیرفتند. در ضمن طی چند دهه‌ی بعد کشف‌های جدید نشان دادند که حتی درباره‌ی فرضیه‌ی گذشته هم می‌توان توضیحاتی ارائه کرد.

در قرن بیستم تصور ما درباره‌ی جهان به شدت تغییر کرد و فهمیدیم که عالم دارای یک نقطه‌ی شروع بوده است. در زمان بولتزمن بیشتر فیزیک‌دان‌ها فکر می‌کردند که عالم جاودان است و همیشه وجود داشته. ولی در دهه‌ی ۱۹۲۰، ستاره‌شناسان فهمیدند که کهکشان‌ها در حال دور شدن از یکدیگر هستند. آن‌ها نتیجه گرفتند که عالم در حال انبساط است و بنابراین در گذشته و زمانی دور، همه‌ی آن در یک نقطه جمع شده بوده است.

طی چند دهه‌ی بعد فیزیک‌دان‌ها بر سر اینکه جهان از یک نقطه‌ی بسیار متراکم و داغ شروع شده به اتفاق نظر رسیدند. این جهان متراکم با انفجاری بزرگ به نام مهبانگ به یکباره بزرگ و سرد شده است. به نظر می‌رسید که این ایده به خوبی با فرضیه‌ی گذشته سازگار است. کارول می‌گوید که این ایده‌ی خوبی است و انتروپی جهان کمی بوده ولی نمی‌دانیم چرا؛ می‌توانست این‌طور نباشد.


اگر بگوییم که انفجار بزرگ و انتروپی هم ربطی به هم ندارند خیلی بی راه نگفته‌ایم. به هر حال انفجارها نامنظم هستند و حالت‌های مختلفی برای چیدن ماده و انرژی در عالم اولیه به صورتی که همچنان داغ، کوچک و منبسط شونده باشد وجود دارد. آن‌طور که مشخص است، زمانی که ماده‌ی خیلی زیادی وجود دارد، رفتار انتروپی اندکی تفاوت می‌کند.

قسمت خالی بزرگی از فضا را تصور کنید که در وسط آن ابری از گاز هم جرم خورشید وجود دارد. گرانش گازها را به سمت یکدیگر جذب می‌کند و گاز متراکم در نهایت به یک ستاره تبدیل می‌شود. اگر انتروپی همیشه در حال افزایش است چطور ممکن است چنین چیزی رخ دهد؟

اهمیت کپه‌ای بودن

پاسخ در این است که گرانش انتروپی را تحت تاثیر قرار می‌دهد. آن هم به شکلی که هنوز فیزیک‌دان‌ها به خوبی درک نمی‌کنند. برای اجرام خیلی سنگین، کپه‌ای بودن، انتروپی بالاتری نسبت به متراکم و یکدست بودن به حساب می‌آید. بنابراین عالمی که دارای کهکشان‌، ستاره و سیاره است در حقیقت انتروپی بیشتری نسبت به عالم پر از گاز داغ و متراکم دارد.

بنابراین اکنون یک مشکل جدید داریم. آن عالمی که درست به هنگام انفجار بزرگ وجود داشت و داغ و متراکم بود، انتروپی کمی داشت و در نتیجه احتمال وجود آن زیاد نبود. بنابراین چرا عالم ما از چنان نقطه‌ی غیر محتملی آغاز به کار کرد؟ یک ایده این است که قبل از انفجار بزرگ هم چیزی وجود داشته است. آیا این می‌تواند پاسخگوی انتروپی کم عالم اولیه باشد؟ کارول و یکی از دانشجویان قدیمی او مدلی ارائه می‌دهند و در آن می‌گویند که شاید جهان‌های «نوزاد» مرتب بوجود می‌آیند، از جهان‌های والد جدا می‌شوند و گسترش می‌یابند تا به عوالمی مثل عالم ما تبدیل شوند. این جهان‌های نوزاد کارشان را با انتروپی کم شروع می‌کنند ولی انتروپی همه‌ی این ‌جهان‌ها با هم که با نام «چند جهان» (Multiverse) شناخته می‌شود زیاد است.


اگر این حرف درست باشد، عالم اولیه فقط به این دلیل کم انتروپی به نظر می‌رسد که ما نتوانسته‌ایم تصویر بزرگتر را ببینیم. این درباره‌ی پیکان زمان هم صحیح است. کارول می‌گوید: «این ایده بدین معنیست که گذشته‌ی دور تصویر بزرگ عالم ما شبیه به آینده‌ی دور آن است.»

ولی همچنان توافق زیادی بر سر تعریف کارول از فرضیه‌ی گذشته وجود ندارد. قسمتی از مشکل این است که بهترین نظریه‌های ما از فیزیک نمی‌توانند به خوبی توصیف کننده‌ی انفجار بزرگ باشند. بدون توصیف دقیق اینکه در عالم ابتدایی چه رخ داده، نمی‌توانیم توضیح دهیم که چرا انتروپی کم بوده است.

فیزیک مدرن روی دو نظریه اتکا کرده است. مکانیک کوانتم رفتار چیزهای کوچک مثل اتم‌ها را توضیح می‌دهد و نسبیت عام می‌تواند رفتار ساختارهای بزرگ مثل ستاره‌ها و کهکشان‌ها را توضیح دهد. مشکل این‌جاست که این دو را نمی‌توان با یکدیگر ادغام کرد. اگر چیزی خیلی کوچک و در عین حال خیلی سنگین باشد، درست مثل حالت اولیه‌ی جهان، فیزیک‌دان‌ها در توصیف آن به مشکل بر می‌خورند. برای توصیف جهان اولیه باید این دو را در یک نظریه به نام «نظریه‌ی همه چیز» ادغام کرد.

«مارینال کورتس» که فیزیک‌دانی از دانشگاه ادینبورگ انگلستان است می‌گوید: «یافتن آن نظریه در نهایت به ما اجازه می‌دهد که بفهمیم طبیعت چگونه فضا و زمان را می‌سازد.» با وجود دهه‌ها تلاش، هنوز کسی نتوانسته به یک نظریه‌ی همه چیز برسد. ولی کاندیداهایی وجود دارد.

بهترین کاندیدای نظریه‌ي همه چیز، نظریه‌ی ریسمان است که می‌گوید همه‌ی ذرات زیر اتمی در حقیقت از ریسمان‌های کوچک ساخته شده‌اند. این نظریه همچنین بیان می‌کند که فضا دارای ابعاد بیشتری نسبت به سه بعدی است که می‌بینیم و این ابعاد، اندازه‌ی میکروسکوپی دارند و ما در نوعی عالم چند جهانی زندگی می‌کنیم. قوانین فیزیک در هرکدام از این جهان‌های موازی فرق می‌کنند.


این ایده خیلی عجیب و غریب به نظر می‌رسد. با این حال بیشتر فیزیک‌دان‌های ذرات امیدوارند که نظریه‌ی ریسمان همان نظریه‌ي همه چیز باشد. البته این نظریه هم به ما نمی‌گوید چرا زمان فقط رو به جلو می‌رود. مثل بیشتر دیگر نظریه‌های بنیادین فیزیک، معادلات نظریه‌ی ریسمان تفاوت بزرگی را بین گذشته و آینده قائل نمی‌شوند. اگر نظریه‌ی ریسمان درست هم از آب در بیاید، نمی‌تواند توضیح دهنده‌ی پیکان یک طرفه‌ی زمان باشد. بنابراین کورتس سعی می‌کند به چیز بهتری برسد.

کورتس می‌گوید عالم از یک سری رویدادهای یگانه درست شده که هیچ وقت خودشان را تکرار نمی‌کنند. هر مجموعه از رویدادها فقط می‌تواند رویدادهای مجموعه‌ی بعدی را تحت تاثیر قرار دهد. بنابراین پیکان زمان در این مجموعه‌ی رویدادها وجود دارد. این کاملا برخلاف توضیحات بولتزمن است که می‌گوید پیکان زمان به صورت تصادفی از قوانین احتمال برمی‌خیزد. کورتس می‌گوید که زمان یک وهم نیست. او فکر می‌کند که زمان وجود دارد و به جلو حرکت می‌کند. ولی اتفاقا بیشتر فیزیک‌دان‌ها مشکلی با توضیحات بولتزمن ندارند.

از هر راهی که بخواهیم پیکان زمان را توصیف کنیم باید بتوانیم حالت کم انتروپی لحظه‌ی شروع کیهان را توضیح دهیم. احتمالا این جا به همان نظریه‌ی همه چیز احتیاج پیدا می‌کنیم. منتها دست کم ۹۰ سال است که دانشمندان دارند دنبال این نظریه می‌گردند و آن را پیدا نکرده‌اند. پیدا کردن آن یک چیز و آزمون صحت آن چیز دیگریست. ما باید این نظریه را با پدیده‌ای خیلی کوچک و خیلی چگال آزمایش کنیم. ولی در ضمن نمی‌توانیم به زمان انفجار بزرگ بازگردیم. همچنین نمی‌توانیم درون یک سیاه‌چاله شیرجه بزنیم و اطلاعات آن را بیرون بفرستیم. پس باید چکار کنیم؟

فعلا تمام امید ما به بزرگترین ماشینی است که برای آزمایش‌های علمی ساخته‌ایم. شتابگر ذرات LHC در سرن آزمایشگاهی مجهز به یک تونل دایره‌ای ۲۷ کیلومتری است. پرتوهای پروتون در این ماشین با سرعت نزدیک به نور با هم برخورد داده می‌شوند. شدت برخورد این ذرات با یکدیگر باعث می‌شود که ذرات جدیدی نمایان شود. در سال ۲۰۱۲ این شتابگر توانست ذره‌ی بوزون هیگز را پیدا کند که باعث جرم‌دار شدن دیگر ذرات می‌شود. این کشف منجر به کسب جایزه‌ی نوبل شد. اکنون این شتابگر با تمام توانش کار می‌کند تا ذرات جدیدی کشف کند و در نهایت این کشف می‌تواند راه ما برای رسیدن به نظریه‌ی همه چیز را هموار کند. شاید آن موقع بتوانیم بفهمیم که چرا وقتی تخم مرغ‌ها می‌شکنند، دیگر نمی‌توان با وارونه کردن زمان، آن‌ها را به حالت اول بازگرداند.