معمای زمان

زمان همیشه یک مشکل بوده است. اول، حتی برای باهوش ترین ذهن ها هم سخت بود که بفهمند زمان واقعا چیست. امروزه که به نظرمان می رسد تا حدودی این را درک کرده ایم، بسیاری معتقدند که بدون آن، حداقل به معنای سنتی، راحت تر است.

"" نوشته اسحاق نیوتن. او معتقد بود که زمان را فقط می توان به طور واقعی به صورت ریاضی درک کرد. از نظر او زمان مطلق یک بعدی و هندسه سه بعدی جهان جنبه های مستقل و مجزای واقعیت عینی بودند و در هر لحظه از زمان مطلق همه رویدادهای جهان به طور همزمان رخ می دادند.

انیشتین با نظریه نسبیت خاص خود مفهوم زمان همزمان را حذف کرد. بر اساس ایده او، همزمانی رابطه مطلق بین رویدادها نیست: آنچه به طور همزمان در یک چارچوب مرجع قرار دارد لزوماً در چارچوب دیگر هم زمان نخواهد بود.

نمونه ای از درک اینشتین از زمان، میون پرتوهای کیهانی است. این یک ذره زیراتمی ناپایدار با میانگین عمر 2,2 میکروثانیه است. در اتمسفر فوقانی شکل می گیرد و اگرچه انتظار داریم قبل از متلاشی شدن فقط 660 متر (با سرعت نور 300 کیلومتر بر ثانیه) حرکت کند، اثرات اتساع زمانی به میون های کیهانی اجازه می دهد تا بیش از 000 کیلومتر به سطح زمین سفر کنند. و بیشتر . در یک چارچوب مرجع با زمین، میون ها به دلیل سرعت زیادشان بیشتر عمر می کنند.

در سال 1907، معلم سابق اینشتین، هرمان مینکوفسکی، فضا و زمان را به عنوان. فضا-زمان مانند صحنه ای رفتار می کند که در آن ذرات نسبت به یکدیگر در جهان حرکت می کنند. با این حال، این نسخه از فضازمان ناقص بود (همچنین ببینید: ). تا زمانی که اینشتین نسبیت عام را در سال 1916 معرفی کرد، گرانش را شامل نمی شد. تار و پود فضا-زمان پیوسته، صاف، تاب خورده و در اثر حضور ماده و انرژی تغییر شکل داده است (2). گرانش انحنای جهان است که توسط اجسام عظیم و دیگر اشکال انرژی ایجاد می شود و مسیری را که اجسام طی می کنند تعیین می کند. این انحنا پویا است و با حرکت اجسام حرکت می کند. همانطور که فیزیکدان جان ویلر می گوید: «فضا زمان با گفتن اینکه چگونه حرکت کند، جرم را می گیرد، و جرم با گفتن اینکه چگونه منحنی کند، فضازمان را فرا می گیرد.»

2. فضا-زمان اینشتین

زمان و دنیای کوانتومی

نظریه نسبیت عام گذر زمان را پیوسته و نسبی می داند و گذر زمان را در برش انتخابی کلی و مطلق می داند. در دهه 60، تلاش موفقیت آمیزی برای ترکیب ایده های ناسازگار قبلی، مکانیک کوانتومی و نسبیت عام منجر به چیزی شد که به عنوان معادله ویلر-دیویت شناخته می شود، گامی به سوی یک نظریه. گرانش کوانتومی. این معادله یک مشکل را حل کرد اما مشکل دیگری ایجاد کرد. زمان در این معادله نقشی ندارد. این امر باعث ایجاد یک جنجال بزرگ در بین فیزیکدانان شده است که آنها آن را مشکل زمان می نامند.

کارلو روولی (3)، یک فیزیکدان نظری مدرن ایتالیایی در این مورد نظر قطعی دارد. او در کتاب «راز زمان» نوشته است.

3. کارلو روولی و کتابش

کسانی که با تفسیر کپنهاگ از مکانیک کوانتومی موافق هستند، معتقدند که فرآیندهای کوانتومی از معادله شرودینگر پیروی می کنند، که از نظر زمان متقارن است و از فروپاشی موج یک تابع ناشی می شود. در نسخه مکانیکی کوانتومی آنتروپی، زمانی که آنتروپی تغییر می کند، گرما نیست که جریان می یابد، بلکه اطلاعات است. برخی از فیزیکدانان کوانتومی ادعا می کنند که منشا پیکان زمان را یافته اند. آنها می گویند که انرژی از بین می رود و اجسام در یک راستا قرار می گیرند زیرا ذرات بنیادی هنگامی که به شکلی از "درهم تنیدگی کوانتومی" برهم کنش می کنند، به هم متصل می شوند. انیشتین، همراه با همکارانش پودولسکی و روزن، چنین رفتاری را غیرممکن می‌دانستند، زیرا با دیدگاه واقع‌گرایانه محلی از علیت در تضاد بود. آنها پرسیدند چگونه ذرات دور از یکدیگر می توانند به یکباره با یکدیگر تعامل داشته باشند؟

در سال 1964، او یک آزمایش آزمایشی ایجاد کرد که ادعاهای انیشتین در مورد متغیرهای به اصطلاح پنهان را رد کرد. از این رو، به طور گسترده ای این باور وجود دارد که اطلاعات بین ذرات درهم تنیده، به طور بالقوه سریعتر از نور می تواند حرکت کند. تا آنجا که می دانیم، زمان برای آن وجود ندارد ذرات درهم تنیده (4).

گروهی از فیزیکدانان دانشگاه عبری به رهبری الی مگیدیش در اورشلیم در سال 2013 گزارش دادند که موفق شده‌اند فوتون‌هایی را در هم ببندند که در زمان وجود نداشتند. ابتدا در مرحله اول یک جفت فوتون درهم تنیده 1-2 ایجاد کردند. اندکی پس از آن، آنها قطبش فوتون 1 (ویژگی که جهت نوسان نور را توصیف می کند) اندازه گیری کردند - در نتیجه آن را "کشتن" کردند (مرحله II). فوتون 2 به سفر فرستاده شد و یک جفت درهم تنیده جدید 3-4 تشکیل شد (مرحله III). سپس فوتون 3 همراه با فوتون 2 سیار اندازه گیری شد به گونه ای که ضریب درهم تنیدگی از جفت های قدیمی (1-2 و 3-4) به ترکیب جدید 2-3 (مرحله IV) "تغییر" کرد. مدتی بعد (مرحله V) قطبیت تنها فوتون 4 باقیمانده اندازه‌گیری می‌شود و نتایج با قطبش فوتون 1 که مدت‌ها مرده بود (در مرحله دوم) مقایسه می‌شود. نتیجه؟ داده‌ها وجود همبستگی‌های کوانتومی بین فوتون‌های 1 و 4 را نشان می‌دهند که «از لحاظ زمانی غیرمحلی» هستند. این بدان معنی است که درهم تنیدگی می تواند در دو سیستم کوانتومی که هرگز در زمان وجود نداشته اند اتفاق بیفتد.

مگیدیش و همکارانش نمی‌توانند در مورد تفسیرهای احتمالی نتایج خود گمانه‌زنی نکنند. شاید اندازه گیری قطبش فوتون 1 در مرحله دوم به نوعی قطبش آینده 4 را هدایت کند، یا اندازه گیری قطبش فوتون 4 در مرحله V به نحوی حالت قطبش قبلی فوتون 1 را بازنویسی کند. همبستگی های کوانتومی هم به جلو و هم به عقب منتشر می شوند. به خلأ علّی بین مرگ یک فوتون و تولد فوتون دیگر.

این در مقیاس کلان به چه معناست؟ دانشمندان، در مورد پیامدهای احتمالی بحث می کنند، در مورد این احتمال صحبت می کنند که مشاهدات ما از نور ستارگان به نوعی قطبش فوتون ها را 9 میلیارد سال پیش دیکته کرده است.

یک جفت فیزیکدان آمریکایی و کانادایی، متیو اس. لیفر از دانشگاه چپمن در کالیفرنیا و متیو اف. پوزی از موسسه فیزیک نظری پیرامونی در انتاریو، چند سال پیش متوجه شدند که اگر به این واقعیت پایبند نباشیم که اینشتین. اندازه گیری های انجام شده بر روی یک ذره می تواند در گذشته و آینده منعکس شود که در این شرایط بی ربط می شود. پس از فرمول بندی مجدد برخی مفروضات اساسی، دانشمندان مدلی بر اساس قضیه بل ایجاد کردند که در آن فضا به زمان تبدیل می شود. محاسبات آنها نشان می دهد که چرا با فرض اینکه زمان همیشه جلوتر است، ما بر سر تضادها می خوریم.

به گفته کارل روولی، درک انسان از زمان به طور جدایی ناپذیری با نحوه رفتار انرژی حرارتی مرتبط است. چرا ما فقط گذشته را می دانیم و آینده را نه؟ به گفته این دانشمند، کلید، جریان یک طرفه گرما از اجسام گرمتر به اجسام سردتر. یک تکه یخ که در یک فنجان قهوه داغ انداخته می شود، قهوه را خنک می کند. اما این روند غیر قابل برگشت است. انسان به عنوان نوعی «ماشین ترمودینامیکی» این پیکان زمان را دنبال می کند و از درک جهت دیگری عاجز است. روولی می نویسد: "اما اگر حالت میکروسکوپی را مشاهده کنم، تفاوت بین گذشته و آینده ناپدید می شود... در دستور زبان ابتدایی چیزها هیچ تمایزی بین علت و معلول وجود ندارد."

زمان در کسرهای کوانتومی اندازه گیری می شود

یا شاید بتوان زمان را کوانتیزه کرد؟ یک نظریه جدید که اخیراً در حال ظهور است نشان می دهد که کوچکترین فاصله زمانی قابل تصور نمی تواند از یک میلیونم یک میلیاردم یک میلیاردم ثانیه تجاوز کند. این تئوری از مفهومی پیروی می کند که حداقل ویژگی اساسی یک ساعت است. به عقیده نظریه پردازان، پیامدهای این استدلال می تواند به ایجاد «نظریه همه چیز» کمک کند.

مفهوم زمان کوانتومی جدید نیست. مدل گرانش کوانتومی پیشنهاد می کند که زمان کوانتیزه شود و نرخ تیک مشخصی داشته باشد. این چرخه تیک تیک حداقل واحد جهانی است و هیچ بعد زمانی نمی تواند کمتر از این باشد. گویی میدانی در پایه کیهان وجود دارد که حداقل سرعت هر چیزی را در آن تعیین می کند و به ذرات دیگر جرم می دهد. یکی از فیزیکدانانی که پیشنهاد کوانتیزه کردن زمان را مطرح می کند، مارتین بوجووالد، توضیح می دهد که در مورد این ساعت جهانی، «به جای جرم دادن، زمان می دهد».

با شبیه سازی چنین ساعت جهانی، او و همکارانش در کالج ایالتی پنسیلوانیا در ایالات متحده نشان دادند که تفاوتی در ساعت های اتمی مصنوعی ایجاد می کند که از ارتعاشات اتمی برای تولید دقیق ترین نتایج شناخته شده استفاده می کنند. اندازه گیری زمان. طبق این مدل، ساعت اتمی (5) گاهی اوقات با ساعت جهانی هماهنگ نمی شد. این امر دقت اندازه گیری زمان را به یک ساعت اتمی محدود می کند، به این معنی که ممکن است دو ساعت اتمی متفاوت با طول دوره سپری شده مطابقت نداشته باشند. با توجه به اینکه بهترین ساعت‌های اتمی ما با یکدیگر سازگار هستند و می‌توانند تیک‌ها را تا 10 تا 19 ثانیه یا یک دهم میلیاردم میلیاردم ثانیه اندازه‌گیری کنند، واحد اصلی زمان نمی‌تواند بیشتر از 10 تا 33 ثانیه باشد. اینها نتایج مقاله ای درباره این نظریه است که در ژوئن 2020 در مجله Physical Review Letters منتشر شد.

5. ساعت اتمی مبتنی بر لوتسیم در دانشگاه ملی سنگاپور.

آزمایش اینکه آیا چنین واحدی از زمان وجود دارد فراتر از توانایی‌های تکنولوژیکی کنونی ما است، اما همچنان از اندازه‌گیری زمان پلانک، که 5,4 × 10-44 ثانیه است، قابل دسترس‌تر به نظر می‌رسد.

اثر پروانه ای کار نمی کند!

حذف زمان از دنیای کوانتومی یا کمی کردن آن می تواند عواقب جالبی داشته باشد، اما بیایید صادق باشیم، تصور عمومی توسط چیز دیگری هدایت می شود، یعنی سفر در زمان.

حدود یک سال پیش، رونالد مالت، استاد فیزیک دانشگاه کانکتیکات به CNN گفت که معادله ای علمی نوشته است که می تواند به عنوان مبنایی برای ماشین زمان واقعی. او حتی دستگاهی ساخت تا عنصر کلیدی این نظریه را به تصویر بکشد. او معتقد است که از نظر تئوری امکان پذیر است تبدیل زمان به یک حلقهکه امکان سفر در زمان به گذشته را فراهم می کند. او حتی یک نمونه اولیه ساخت که نشان می دهد چگونه لیزرها می توانند به این هدف کمک کنند. لازم به ذکر است که همکاران مالت متقاعد نشده اند که ماشین زمان او هرگز تحقق یابد. حتی مالت اعتراف می کند که ایده او در این مرحله کاملاً نظری است.

در اواخر سال 2019، New Scientist گزارش داد که فیزیکدانان باراک شوشانی و جاکوب هاوزر از مؤسسه Perimeter در کانادا راه حلی را توصیف کردند که در آن فرد می تواند به صورت نظری از یک راه حل سفر کند. اخبار به دومی، گذر از طریق یک سوراخ در فضا-زمان یا یک تونل، همانطور که می گویند، "ریاضی ممکن است". این مدل فرض می‌کند جهان‌های موازی مختلفی وجود دارد که می‌توانیم در آنها سفر کنیم، و یک اشکال جدی دارد - سفر در زمان بر جدول زمانی خود مسافران تأثیر نمی‌گذارد. به این ترتیب، می‌توانید بر سایر زنجیره‌ها تأثیر بگذارید، اما مسیری که سفر را از آن آغاز کرده‌ایم، بدون تغییر باقی می‌ماند.

و از آنجایی که ما در پیوستگی فضا-زمان هستیم، پس با کمک کامپیوتر کوانتومی برای شبیه سازی سفر در زمان، دانشمندان اخیرا ثابت کردند که در قلمرو کوانتومی "اثر پروانه ای" وجود ندارد، همانطور که در بسیاری از فیلم ها و کتاب های علمی تخیلی دیده می شود. در آزمایشات در سطح کوانتومی، آسیب دیده، به ظاهر تقریباً بدون تغییر، گویی واقعیت خودش را التیام می بخشد. مقاله ای درباره این موضوع تابستان امسال در Psycal Review Letters منتشر شد. میکولای سینیتسین، فیزیکدان نظری در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، توضیح داد: «در رایانه‌های کوانتومی، هیچ مشکلی برای شبیه‌سازی تکامل مخالف در زمان، یا شبیه‌سازی فرآیند بازگشت فرآیند به گذشته وجود ندارد». نویسنده مطالعه کار کنید. ما واقعاً می‌توانیم ببینیم که چه اتفاقی برای دنیای پیچیده کوانتومی می‌افتد، اگر به گذشته برگردیم، مقداری آسیب اضافه کنیم و به عقب برگردیم. ما متوجه شدیم که جهان اولیه ما زنده مانده است، به این معنی که هیچ اثر پروانه ای در مکانیک کوانتومی وجود ندارد.

این یک ضربه بزرگ برای ما است، اما شاید یک خبر خوب برای ما نیز باشد. پیوستار فضا-زمان یکپارچگی را حفظ می کند و اجازه نمی دهد تغییرات کوچک آن را از بین ببرد. چرا؟ این یک سوال جالب است، اما موضوعی کمی متفاوت از خود زمان است.