زمان دو جهته

جولیان باربور یک فیزیکدان مستقل است، که سابقاً استاد مهمان در دانشگاه آکسفوردِ انگلستان بوده و نویسنده کتاب The Janus Point: A New Theory of Time است. باربور فیزیکدان-فیلسوفی است که منتقد نظریه بیگ‌بنگ است و معتقد به بی‌زمان بودن جهان است. وی دیدگاهی درباره زمان دارد که متفاوت از نگاه مرسوم است. وی معتقد است زمان واقعا وجود ندارد و در واقع زمان چیزی جز پیچیدگی نیست. باربور می‌گوید بیگ‌بنگ نه یک تکینگی بلکه نوعی نقطه‌ی ژانوس بوده است. ژانوس در اساطیر رومی، یکی از خدایان است که معمولا با دو صورت که مخالف جهت هم به هر دو جهت نگاه می‌کنند تصویر می‌شود و به معنای دو جهته بودن است. با توجه به این توضیح، باربور می‌گوید در بیگ‌بنگ زمان در دو راستای مخالف هم در دو جهان جریان پیدا کرده است. یعنی جهانی آینه‌ای را تصویر می‌کند که زمان خلاف جهت جهان ما جریان دارد.

زمان به جلو حرکت می‌کند. این امر آن‌قدر واضح است که ما آن را بدیهی می‌دانیم و به نظر می‌رسد این قانون در هر جایی که نگاه می‌کنیم اعمال می‌شود. پدیده‌های قابل مشاهده فقط در یک جهت زمانی آشکار می‌شوند. ما پیرتر می‌شویم نه جوان‌تر. ما گذشته را به یاد می‌آوریم ، نه آینده را. ستارگان به جای پراکنده شدن در کهکشان‌ها جمع می‌شوند و هسته‌های رادیواکتیو به جای تجمع تجزیه می‌شوند. سوال بزرگ این است که این جهت رو به جلوی زمان از کجا آمده است؟ رایج‌ترین توجیه این مسأله مربوط به آنتروپی است. اینطور تصور می‌شود که جریان زمان اساساً مظهر گرایش اجتناب‌ناپذیر جهان به بی‌نظمی است. من یک ایده متفاوت دارم، یا بهتر بگویم دوتا. اولین مورد این است که زمان در هر دو جهت پیش می‌رود و این‌که انفجار بزرگ (بیگ‌بنگ) منشاء زمان نیست، بلکه نقطه‌ای میانی است که دو قسمت از یک جهان از آن‌جا اتفاق می‌افتند و در جهت‌های مخالف حرکت می‌کنند. ما هرگز نمی‌توانیم یکی از این جهان‌ها را در جهت زمانی دیگر مشاهده کنیم، اما من پیشنهاد می‌کنم که این نتیجه‌ای از یک قانون اساسی طبیعت است. ایده دوم من که ریشه ای‌تر است. می‌تواند درک ما را از ماهیت زمان تغییر دهد. پیامدهای آن حتی ممکن است فراتر از قلمرو فیزیک کلاسیک و دنیایی که به راحتی می‌توانیم ببینیم نیز، برسد و سرنخ‌های تازه‌ای از ماهیت کوانتومی گرانش ارائه دهد، نظریه‌ای گریزپا که نسبیت عام را با مکانیک کوانتوم در هم می‌آمیزد. ایده‌های فعلی فیزیکدانان در مورد زمان، مدیون آلبرت اینشتین هستند. نظریه نسبیت عام او سه بعد فضا را با یک بعد زمان در مفهومی به نام فضا-زمان ادغام کرد، زمینه‌ای فراگیر که رویدادها درون اتفاق می‌افتد. در اصل، اگر نه همیشه در عمل، ما می‌توانیم در فضا هر طور که می‌خواهیم حرکت کنیم. اما در مورد زمان این‌طور نیست، زیرا زمان همیشه بر جهت حرکت اصرار دارد: ما چاره‌ای نداریم جز اینکه از گذشته به آینده کشانده شویم. این جریان زمان توسط قوانین اساسی طبیعت دیکته نمی‌شود. برخورد دو توپ بیلیارد و همچنین آن‌چه که در یک فیلم اتفاق می‌افتد وقتی به عقب یا جلو پخش می‌شود عجیب به نظر نمی‌رسد. این‌ها  مواردی از زمان متقارن هستند: یعنی به سوی گذشته یا آینده به یک اندازه خوب عمل می‌کنند. تنها قانون نامتقارن زمانی که ما می‌شناسیم، قانونی است که واپاشی ذرات بنیادین خاصی را حکم می‌کند، چیز عجیبی که مانع از بین رفتن متقابل ماده و ضد ماده به صورت کامل در جهان اولیه می‌شود و این اطمینان را می‌دهد که ما از ماده ساخته شده‌ایم  و امروز اینجا هستیم. اما به هیچ وجه نمی‌تواند جریان رو به جلوی زمان را توضیح دهد.

برای توضیح این امر، فیزیکدانان در عوض به قانونی روی آورده‌اند که بنیادی تلقی نمی‌شود، اما از قوانین اساسی‌تری ناشی می‌شود. قانون دوم ترمودینامیک که می‌گوید در یک سیستم بسته، بی‌نظمی که از نظر آماری به صورت کمیتی به نام آنتروپی مشخص می‌شود، همیشه افزایش می‌یابد. این امر به این دلیل انجام می‌شود که حالت‌های بی‌نظمی بسیار بیشتر از حالت‌های منظم وجود دارد. بنابراین، یک تکه یخ کوچک در یک جعبه بزرگ ذوب می‌شود و به آب مایع تبدیل می‌شود و مولکول‌های آن پراکنده می‌شوند و بی‌نظمی را افزایش می‌دهد، در واقع آنتروپی افزایش یافته است. به «تعریف آماری» این پدیده توجه کنید: قوانین فیزیک این روند را معکوس نمی‌داند ، بلکه فقط می‌گویند این اتفاق از نظر آماری بسیار بعید است. در این تصویر، مسیر یا جهت زمان با افزایش بی‌نظمی ایجاد می‌شود. اگر عکس‌های لحظه‌ای موقعیت مولکول‌های موجود در آن جعبه را که در حال خارج شدن از نظم بودند را نشان دهند، نوه 4 ساله ام می‌تواند آن‌ها را به نظمی که داشتند برگرداند. برای بسیاری از دانشمندان، این کافی است که آنتروپی جهتمندی را به راستای زمان می‌بخشد. من به نوبه خود در ثبات و درستی ترمودینامیک شک ندارم. اینشتین آن را «تنها نظریه فیزیکی محتوای جهانی توصیف کرد که من مطمئنم در چارچوب کاربرد، مفاهیم اساسی آن هرگز سرنگون نخواهد شد ». من آنقدر جسور نیستم که مخالف باشم. اما هشدار اینشتین مهم است و منجر به این سوال می شود که آیا «چارچوب کاربرد» ترمودینامیک، شامل جهان ما می‌شود؟ به نظر نمی‌رسد که جهان یک سیستم بسته باشد. ممکن است از نظر اندازه بی‌نهایت باشد و مطمئناً در حال گسترش هم است. احتمالا اگر مانعی برای این گسترش وجود نداشته باشد، پس نمی‌توانیم آن را مانند جعبه در نظر بگیریم. اما  از لحاظ فیزیکی یا مفهومی، یک جعبه برای تفسیر آنتروپی بسیار مهم است. این به تنهایی دلیلی است که کاربرد ترمودینامیک را کم و بیش بدون تغییر در کیهان شناسی زیر سؤال برده است. اما دلیل دیگری هم دارد.

با وجود فرضیه آنتروپی در جهت زمان ، فیزیکدانان تصور می‌کنند که جهان در اثر بیگ‌بنگ با انتروپی پایین شروع شده است، یک وضعیت خاص از نظم فوق‌العاده بالا که به صورت دلبخواهی تحمیل شده است. یکی از عمیق‌ترین جنبه‌های هستی به شرایط خاصی نسبت داده می‌شود که عمدا ایجاد می‌شود. این فرضیه «فرضیه گذشته» نامیده شده است و به نظر من این موضوع مسأله زمان را حل نمی‌کند ، بلکه پذیرش شکست است. در حقیقت، جایگزینی برای فرضیه گذشته ممکن است بیش از دو قرن طول بکشد. در سال 1772، ریاضیدان جوزف-لوئیس لاگرانژ چیزی در مورد رفتار سیستم سه ذره‌ای که بر اساس قانون گرانش ایزاک نیوتن برهمکنش می‌کنند ، ثابت کرد. این قانون می‌گوید که هر ذره با نیرویی متناسب با جرم‌شان و نسبت معکوس با مربع فاصله بین آنها، یکدیگر را جذب می‌کند.

پیش به سوی گذشته

نتیجه لاگرانژ، که هر تعداد ذره را شامل می‌شود، نشان داد که اگر کل انرژی یک سیستم (پتانسیل به علاوه جنبشی) صفر یا مثبت باشد، سپس اندازه آن، اساساً قطر آن، از یک کمینه منحصربفرد در یک نقطه از جدول زمان‌خطر تحول خود عبور می‌کند.

این فرایند به همان اندازه‌ای که به عقب حرکت می‌کند به جلو هم حرکت می‌کند، گرانش نیوتن از نظر زمانی متقارن است. و با یک استثناء جذاب که در آن اندازه سیستم به گذشته و آینده تا بی‌نهایت افزایش می‌یابد، باز خواهم گشت. جالب این‌جاست که یکنواختی توزیع ذرات در حداقل اندازه، بیش‌ترین مقدار است.

مدتهاست که یافت شده است که توزیع یکنواخت ذرات از نظر گرانشی ناپایدار است و به خوشه‌هایی تجزیه می‌شود. با این‌حال، ظاهراً چیزی که کسی متوجه نشده است این است که وقتی حرکت ذرات را از حالت خوشه‌ای به عقب و به حداقل و یکنواخت‌ترین حالت می‌رسانید و سپس آن را فراتر از این نقطه ببرید، دوباره خوشه‌ای می‌شود. مقاله‌ای که من در سال 2014 به همراه تیم کوسلوفسکی در دانشگاه ملی خودگردان مکزیک و فلاویو مرکاتی از دانشگاه ناپل ایتالیا منتشر کردم، نشان دادیم که این امر در یک نمای ساده از جهان صادق است. شبیه‌سازی کامپیوتری هزاران برهمکنش ذره‌ای تحت نیروی جاذبه نیوتنی نشان داد که تقریباً تمام چیدمان ذرات به این حالت حداقلی تحول یافته و سپس به سمت خارج گسترش می‌شود و به تدریج در هر دو جهت ساختار بیشتری پیدا می‌کند.

اینکه خدای رومی که به طور همزمان در جهت مخالف زمان نگاه می‌کند، برای ما چه معنایی خواهد داشت؟ اگر ما در نمونه‌ای از جهان که من توضیح دادم زندگی می‌کردیم ، باید در یک طرف یا طرف دیگر نقطه ژانوس باشیم. ما متوجه می‌شویم که قانون متقارن نیوتن آنچه در اطراف ما اتفاق می‌افتد را کنترل می‌کند، اما همچنین یک جهت فراگیر از زمان است که آینده ما را مشخص می‌کند. در جهت گذشته خود، ما فقط می‌توانیم مه‌ای را که آن را بیگ ‌نگ می‌نامیم، توصیف کنیم و نه چیزی فراتر از آن. ما از فرضیه گذشته برای توضیح موارد غیرقابل توضیح استفاده می‌کنیم. اما قوانین نیوتن می‌گویند نقطه ویژه باید در همینجا (حال حاضر) باشد، بنابراین نیازی به استناد به فرضیه گذشته نیست. در عوض، ما می‌توانیم از نظر ریاضی یک کمیت را تعریف کنیم که بازتابی از تکامل سیستم ذرات ما به چیزی شبیه ساختار باشد. بیایید آن را «پیچیدگی» بنامیم. پیچیدگی با استفاده از همه توده‌های ذرات و تمام نسبت‌های فاصله بین هر دو آنها محاسبه می‌شود هیچ ارتباطی با احتمال آماری حالت‌های احتمالی ندارد و با آنتروپی تفاوت دارد زیرا رشد آن بیشتر از آنکه بی‌نظمی را نشان دهد، افزایش ساختار یا تنوع را نشان می‌دهد. من استدلال می‌کنم که پیچیدگی باید جای آنتروپی‌ را که اساس جهت زمان است را بگیرد. در کتاب اخیرم “The Janus Point” ، من چیزها را فراتر از این می‌برم. من معتقدم که در نهایت، مدل ما نشان می‌دهد که تاریخ جهان داستان نظم نیست که مرتباً به بی‌نظمی برسد، بلکه تقریبا گسترش ساختار یا پیچیدگی است، همانطور که ما آن را تعریف می‌کنیم. پیشنهاد این امر در درجه اول از نظریه گرانشی نیوتن می‌آید. هنوز مشخص نیست که بتوان آن را به شرح نسبیتی کلی گرانش بسط داد. اما در بسیاری از موارد، گرانش نیوتنی رفتاری تقریباً مشابه نسبیت را پیش بینی می‌کند، بنابراین اشاره‌ای به این وجود دارد که به دنبال اثری مشابه در نظریه اینشتین باشیم. بنابراین این موضوع من را به یک استثناء جذاب از نتیجه لاگرانژ که قبلاً اشاره کردم می‌رساند. در همه مواردی که تاکنون مورد بحث قرار گرفته است، حداقل اندازه جهان در Janus point (نقطه ژانوس) صفر نیست بلکه محدود است. اما بکارگیری نسبیت عام در بیگ‌بنگ منجر به یک اندازه صفر از جهان می‌شود، که به عنوان رویدادی منحصر بفرد شناخته شده است، جایی که معادلات بی فایده هستند (به عبارتی شکست میخورند).

این مسأله از زمانِ انتشار مقاله‌ی قابل توجهی که توسط ژان چازی فرانسوی در سال 1918  نوشته شد، شناخته شده است که در آن از رویدادهای منحصر به فردی که به طور کلی collisions یا برخوردها نامیده می‌شوند و همچنین می‌تواند در نظریه نیوتن هم رخ دهد، صحبت شده است. که در این رویداد، همه ذرات به هم می‌رسند و همزمان در مرکز جرم مشترک خود بهم برخورد می‌کنند. در این مرحله، معادلات نیوتن خراب می‌شوند. آنها نمی‌توانند از معادلات برای ادامه هرگونه راه حل پس از برخورد کلی استفاده شوند، به جای راه حل‌های دو طرفه، ما راه حل‌های یک طرفه داریم. اگر ما این استثناء را جدی بگیریم، نمی‌توانیم بگوییم زمان دارای دو جهت مخالف است، اما به طور قابل توجیه این مسئله را که پیچیدگی به زمان جهت می‌دهد را رد نمی‌کند . معادله‌های گرانش نیوتن هنوز هم متقارن زمانی هستند، بنابراین جواب‌هایی که به یک برخورد کلی ختم می‌شوند، می‌تواند به روش دیگری نیز انجام شود. آنها تبدیل به «بیگ‌بنگ» نیوتنی می‌شوند که همه ذرات ناگهان از یکدیگر جدا می‌شوند. درست در زمان شروع، ذرات به طرز قابل ملاحظه‌ای به طور یکنواخت مرتب شده‌اند، اما به زودی شروع به حرکت در دو طرف نقطه ژانوس می‌کنند که در محاسبات خود مشاهده کردیم. همان‌طور که از اندازه صفر به وجود می‌آیند ، پیکربندی (شکل) آنها با پیچیدگی مشخص می‌شود که وضعیت بسیار خاصی را ایجاد می‌کند. اندازه یا شکل‌های متعددی وجود دارد که شرایط را ایجاد می‌کند اما فقط یکی از آن‌ها دارای کمترین مقدار ممکن از پیچیدگی است. یکنواخت‌تر از هر شکل دیگری است که جهان می‌تواند داشته باشد.

پیچیدگی فقط به زمان جهت نمی‌بخشد بلکه به معنای واقعی کلمه خود زمان است.

اینجاست که یک پیچیدگی اساسی در داستان به من تحمیل شد. این واقعیت که جهان بعد از انفجار بزرگ دارای یکنواختی فوق العاده‌ای شد، مرا به فکر فرو برد. آیا این می‌تواند شکل خاصی  از آنچه را شناسایی کرده‌ام و آن را الفا می‌نامم باشد که به عنوان راهنمای تئوری جدید زمان و همچنین به نظریه کوانتومی گرانش  اشاره کند که به احتمال زیاد بزرگترین جایزه در فیزیک را داشته باشد؟

نظریه کوانتومی غالباً رفتار خلاف شهود ذرات زیر اتمی را توصیف می‌کند. با همه موفقیت‌های خود ، همیشه بر اساس مفهوم کلاسیک زمانی که مستقل و خارج از سیستم است، متکی بوده است. اما مطمئناً هر تلاشی برای به وجود آوردن تئوری کوانتوم جهان و گرانش همراه با آن، باید بدون فرض زمان خارجی پیش از حیات شروع شود. زمان باید از جایی سرچشمه بگیرد و هر جایی غیر از قلمروی کوانتومی. ایده‌های من در مورد پیچیدگی می‌تواند کمک کننده باشد. آنچه من پیشنهاد می‌کنم ممکن است «گرانش کوانتومی نیوتنی» نامیده شود زیرا جنبه‌های نظریه گرانش کوانتومی نیوتن،  بالاتر از همه این مقدار از پیچیدگی و دو ویژگی اصلی جدید مکانیک کوانتومی را یکی می‌کند: احتمالاتی برای وضعیتی که یک سیستم خود را در آن می‌یابد ، و آن‌چه که به عنوان تابع موج شناخته می‌شود و چگونگی تحول احتمالات را نیز تعیین می‌کند. ایده این است که یک تابع موج از جهان، احتمالات تمام حالت‌های ممکن را تعیین می‌کند. این نسبتاً مرسوم است. با این حال، آن‌چه من پیشنهاد می‌کنم این است که چگونه این اتفاق می‌افتد: من تولد زمان را در آلفا، این پیکربندی منحصر به فرد ذرات  قرار دادم و زمان خودش پیچیدگی را ایجاد می‌کند.

توده‌ای از زمان

قبلا گفتم که نوه‌ام می‌تواند عکس‌های لحظه‌ای را به ترتیب درست مرتب کند. حالا فرض کنید عکس‌های لحظه‌ای از تمام اشکال ممکن جهان را به او بدهم و بخواهم که آنها را صورت توده‌ای دسته‌بندی کند ، یک دسته به ازای هر مقدار ازپیچیدگی. در اولین توده فقط شکلی که یکنواختی بیشتری دارد وجود خواهد داشت: آلفا. پس از آن، برای هر مقدار پیچیدگی، تعداد بیشماری وجود خواهد داشت. تابع موج احتمالات نسبی را برای هر یک از اشکال درون هر توده تعیین می‌کند. این همان کاری است که مکانیک کوانتوم استاندارد برای احتمالات حالت‌های ممکن یک سیستم در زمان‌های مختلف خارجی انجام می‌دهد. پیشنهاد من شامل چیزی مشابه اما با زمان نامرئی و خارجی است که با پیچیدگی جایگزین شده است، که به این معنا قابل مشاهده است که مستقیماً توسط شکل جهان تعیین شود. بنابراین، پیچیدگی فقط جهت را به زمان نمی‌دهد-به معنای واقعی کلمه خود زمان است. تصویری که من ترسیم کرده‌ام با تاریخ شناخته شده جهان مطابقت دارد، اما تنها یک شروع است. خبر خوب برای مراحل بعدی این است که حداقل در اصل، یک آزمایش تجربی وجود داشته باشد. بررسی نور نخستین در آسمان که به عنوان تابش پس زمینه کیهانی (CMB) شناخته می‌شود، نشان می‌دهد که خیلی زود پس از انفجار بزرگ، توزیع ماده در جهان هستی بسیار یکنواخت بوده است، در حالی که نوسانات بسیار کوچکی از ساختارهای خاص را آشکار می‌کند.

تورم، نظریه‌ای که نشان می‌دهد کیهان در اولین شکافت خود دستخوش انبساط عظیمی شده است ثانیا، می‌تواند شکل این نوسانات را به خوبی توضیح دهد. اما این به ما نمی‌گوید که چگونه تورم شروع شد و پارامترهای کلیدی باید مطابق مشاهدات باشند. طبق ایده من، جهان باید تا آنجا که ممکن است شروع به کار کند و سپس ناهمگنی‌های کوچکی ایجاد کند. این ممکن است مانند یک تصور دل‌بخواهی به نظر برسد، اما این یک نتیجه مستقیم از ساده‌ترین قانون کوانتوم است که یک نفر می‌تواند در مورد جهان متصور شود، که تابع موج را مجبور می‌کند که از وضعیت لزوما منحصر به فرد خود به شکل یکنواحت‌تری تکامل یابند. این امکان وجود دارد که ما بتوانیم با استفاده از أصول ابتدایی شکل نوسانات را پیش‌بینی کنیم، و بتوانیم با بررسی‌های بیشتر در تابش پس‌زمینه CMB آنها را تأیید یا رد کنیم.

این ایده می‌تواند به هر دو روش نتیجه دهد. من امیدوارم نه تنها به خاطر اینکه پیچیدگی نیوتونی همتایی در نظریه اینشتین دارد. بلکه من در افکار نیلز بور، بنیان‌گذار مکانیک کوانتومی نیز دلگرمی‌هایی می‌یابم، که می‌گوید: «هر ایده‌ی کوانتومی جدید باید دیوانه کننده باشد.» ایده‌ای که در واقع زمان را در واقع یک پیچیدگی می‌داند قطعا باید این‌طور باشد و می‌تواند قابل دگرگون‌کننده هم باشد. اگر واقعاً زمان یک پیچیدگی است و اگر بزرگ است، با یک تیر دو نشان را می‌زند به این ترتیب که یک نقطه‌ی  شروع جدید را ایجاد می‌کند که از طریق آن بتوان نظریه گرانش کوانتومی را پی‌ریزی و تدوین کرد و بر اساس اصول ساده نشان می‌دهد که چگونه زمان جهت خود را در پیش گرفته است.