آیا لحظات جدید زمان، بواسطه انبساط کیهان بطور مستمر پدید می آیند؟
خبر کشف امواج گرانشی، سر و صدای بسیاری در رسانه های مختلف جهان به راه انداخت. این امواج گرانشی در واقع، نوسان های منتشر شده در بافتار زمان – فضا هستند که در اثر برخورد دو سیاهچاله در کهکشانی دوردست ایجاد شده اند. وجود امواج گرانشی تقریباً یک قرن پیش بوسیله آلبرت اینشتین در قالب نظریه نسبیت عام، پیش بینی شده بود. سرانجام در ماه سپتامبر 2015، گروهی بین المللی از فیزیکدان ها به کمک یک جفت دستگاه تداخل سنج لیزری عظیم که در ایالات متحده آمریکا نصب شده بودند، توانستند صحت پیش بینی اینشتین را تایید کنند و از وجود امواج گرانشی در کیهان، پرده بر دارند.
این کشف مهم، عملاً ابزار و روشی بدیع را برای مشاهده و رصد کیهان در اختیار اخترفیزیکدان ها و کیهان شناسان قرار داد، اما فراتر از همه اینها، این کشف ممکن است فیزیکدان ها را در گشودن یک معمای عجیب و دیرینه هم یاری کند: معمای نحوه پیدایش زمان.
ریچارد مولر (Richard Muller)، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا – برکلی معتقد است که برخورد سیاهچاله ها با همدیگر، صرفاً منجر به لرزش فضای پیرامون آنها نمی شود، بلکه این برخورد، باعث به وجود آمدن لحظات جدید در بُعد زمان هم می شود.
هر چند ایده مولر، باور نکردنی به نظر می رسد، اما ایده ای برای یک داستان علمی – تخیلی نیست. مولر معتقد است که احتمالاً تنها ظرف چند سال آینده، به کمک همان آشکارسازهایی که کشف امواج گرانشی را برای ما میسر کردند، می توان شواهد محکمی مبنی بر تولد لحظات زمانی جدید در اعماق کیهان بدست آورد. در این مقاله شما می توانید با جزئیات این تفکر آشنا شوید.
ساختار فضا – زمان و راز جریان زمان
چنین ادعاهایی، مولر را در خط مقدم کاوش و تحقیق روی یکی از توصیف ناپذیرترین پدیده های جهان ما یعنی زمان قرار داده است. درخشان ترین ذهن ها در تاریخ بشریت، از ارسطو گرفته تا اینشتین، در تلاش بوده اند تا بتوانند راز ماهیت زمان را بگشایند؛ اما هیچ کدام به نتیجه نهایی نرسیدند. شاید به همین دلیل است که سن آگوستین، قدیس و فیلسوف مشهور، حدود 1500 سال قبل، چالش اندیشمندان تاریخ را برای توصیف مفهوم زمان، در این جمله معروف خلاصه کرده است: «به راستی زمان چیست؟ تا زمانی که چنین سوالی از من پرسیده نشود، مفهوم آن را می دانم؛ اما هنگامی که بخواهم پاسخی به این سوال بدهم می بینم که مفهوم آن را نمی دانم.»
اما مولر معتقد است که با پیشرفت های نوینی که در عرصه فیزیک اتفاق افتاده است، ممکن است بتوان راه جدیدی برای گشودن معمای زمان پیدا کرد. اکنون بهترین نظریه ای که فیزیکدان ها برای توصیف رفتار زمان در اختیار دارند، نظریه نسبیت عام اینشتین است. بر اساس این نظریه، ادراک متعارف ما که تصور می کنیم جهان، دارای سه بعد مکانی و یک بعد زمانی است که از گذشته به سوی آینده جریان دارد، اساساً توهمی بیش نیست. در واقع، بر مبنای نظریه نسبیت اینشتین، فضا و زمان صرفاً وجوه مختلف پدیده ای واحد به نام «فضا – زمان» هستند.
اینشتین هنوز جوانی بیست و چند ساله بود که نشان داد این یکپارچگی فضا و زمان، به وقوع پدیده های عجیب و غیر منتظره ای منجر می شود. به عنوان مثال، اگر جسمی با سرعتی نزدیک به سرعت نور از مجاورت ما (ناظر ساکن) بگذرد، شکل آن را در امتداد حرکتش، فشرده و منقبض خواهیم دید. همینطور ساعت هایی که با چنین سرعت هایی نسبت به ما حرکت کنند، نسبت به ساعت های ساکن، کندتر کار خواهند کرد.
اگرچه این پیش بینی ها خارق العاده به نظر می رسند، اما جالب است بدانید که تمام پیش بینی های عجیب و غریب نظریه نسبیت اینشتین، با دقتی فوق العاده مورد بررسی قرار گرفته اند و صحت همگی آنها هم تایید شده است؛ اما با این حال، نکته ای عجیب در مورد یگانگی غایی فضا و زمان وجود دارد که فیزیکدان ها هنوز از آن، سر در نیاوره اند. مولر در این مورد، چنین توضیح می دهد: «مسئله عجیب اینجا است که چرا در حالی که می توان در نقطه ثابتی در فضا متوقف شد، انجام چنین کاری در بعد زمان غیر ممکن است؟»
معماهای دیگر
اما گذشته از این، معماهای دیگری هم در مورد تفاوت رفتار فضا و زمان مطرح است. به عنوان مثال، می دانیم که قوانین بنیادین فیزیک، هیچگونه تمایزی بین جهت زمان قائل نیستند. بدین ترتیب، این سوال پیش می آید که چرا ظاهراً به نظر می رسد که زمان به سوی آینده در جریان است؟ (با نگاهی به اطراف خودتان، رویدادهای متعددی را – از تغییرات زمین گرفته تا تحولات موجودات زنده – می بینید که بر اساس آنها به نظر می رسد که زمان باید از گذشته به سوی آینده در جریان باشد.)
مولر تمامی این اندیشه ها را در مورد معمای زمان همانند یک پازل، گردآوری کرد و بر اساس آنها، کتابی را به رشته تحریر در آورد. در زمان نگارش این کتاب بود که به ناگهان، ایده ای در ذهن مولر جرقه زد. او خود در این باره چنین می گوید: «هنگامی که مشغول نوشتن این کتاب بودم، ناگهان این ایده به ذهنم رسید که شاید علت شکل گیری جریان زمان، اضافه شدن تدریجی و مستمر لحظات یا «اکنون های» جدید به بعد زمان باشد.»
اما چه عاملی می تواند این لحظات زمانی جدید را به وجود آورد؟ مولر معتقد است که پاسخ این پرسش در وحدت بنیادین فضا و زمان نهفته است. از زمان کشف انبساط جهان حدود 90 سال پیش تاکنون، کیهان شناسان، ناگزیر بودند بپذیرند که فضا در حین این انبساط، بطور مستمر در حال به وجود آمدن است؛ اما از آنجا که فضا و زمان در واقع، وجوه متفاوت پدیده واحدی هستند، همین موضوع باید برای زمان هم صادق باشد.
مولر در این باره چنین توضیح می دهد: «بنابراین بواسطه انبساط کیهان، نه تنها وسعت فضا بطور مستمر در حال افزایش است، بلکه زمان هم بطور مستمر افزایش پیدا می کند.» به عقیده مولر، همین امر می تواند علت جریان داشتن زمان را توضیح دهد. او می گوید: «کرانه در حال انبساط مستمر زمان، همان چیزی است که از آن با عنوان «لحظه حال» یاد می کنیم. بر این اساس می توان گفت که در واقع، آفرینش مدام لحظه های حال جدید است که جریان مستمر زمان را ایجاد می کند.»
آشکارسازی فرآیند تولد زمان
اما مولر صرفاً به ارائه این ایده شگفت انگیز، بسنده نکرد بلکه جستجو برای یافتن روشی برای به محک آزمون گذاشتن آن را هم آغاز کرد؛ اما متاسفانه پس از مدتی جستجو، ایده خاصی برای این کار به ذهنش نرسید. او می گوید: «هر چند ایده هایی برای آزمودن صحت این نظریه بر اساس مشاهدات کیهان شناختی در ذهن داشتم؛ اما هیچ کدام آنها به گونه ای نبودند که بتوانند طی مدتی در حد طول عمر انسان، به نتیجه برسند.» بدین ترتیب، مولر، تصمیم گرفت صرفاً به ارائه نظریه خود در مورد نحوه جریان یافتن زمان، اکتفا کند و بدون آنکه روشی برای آزمودن صحت آن ارائه دهد، کتاب خود را به چاپ برساند. این گونه بود که کتاب مولر با عنوان «لحظه اکنون و فیزیک زمان» در سال گذشته به چاپ رسید.
کتاب مولر به تازگی چاپ شده بود که خبر کشف امواج گرانشی در رصدخانه تداخل سنج لیزری لایگو منتشر شد. این خبر هیجان انگیز، دروازه های جدیدی را برای ذهن مولر گشود. او می گوید: «با انتشار خبر کشف امواج گرانشی بوسیله لایگو، ناگهان متوجه شدم که این آشکارساز می تواند امکان آزمودن درستی نظریه ای را که در مورد نحوه پیدایش زمان در ذهن داشتم، فراهم کند.»
مولر دریافته بود که آشکارساز لایگو می تواند آفرینش زمان را در حین برخورد سیاهچاله ها با همدیگر آشکار کند؛ زیرا در حین برخورد سیاهچاله ها با همدیگر، مقدار زیادی فضای سه بعدی در کیهان ایجاد می شود و بنابراین، همین موضوع باید برای زمان هم صادق باشد.
با توجه به آنکه عموم اشخاص، سیاهچاله ها را به عنوان اجرام سماوی نابودگر نگاه می کنند؛ بنابراین، ایده مولر در مورد آفرینش فضا و زمان از طریق سیاهچاله ها، ایده ای کاملاً بدیع است. مولر برای توضیح این فرآیند شگفت انگیز، مثال جالبی می زند.
همانطور که می دانید هر سیاهچاله، حفره عظیمی را در پهنه فضا – زمان ایجاد می کند که می توان آن را به یک گرداب عظیم در پهنه اقیانوس تشبیه کرد. بدیهی است که سطح آب در یک گرداب همواره از سطح آب همان محدوده هنگامی که گرداب وجود نداشته باشد و سطح اقیانوس ساکن باشد، بیشتر است. همین موضوع، در مورد فضای اطراف یک سیاهچاله هم صادق است. البته می دانیم که سطح آب دو بعدی است و فضای اطراف یک سیاهچاله، سه بعدی است؛ اما معادلات ریاضی نشان می دهند که چنین تشبیهی در مورد سیاهچاله ها صادق است.
بدین ترتیب می توان گفت که با تولید یک سیاهچاله در گستره کیهان، نه تنها فضای سه بعدی جدیدی در جهان ایجاد می شود بلکه زمان جدیدی هم در کیهان پدید می آید؛ اما به گفته مولر، مشکل اینجا است که اگر زمان دقیق تولد یک سیاهچاله را در گستره کیهان ندانیم، طبیعتاً نمی توانیم تاخیر زمانی ایجاد شده بواسطه پیدایش لحظات زمانی جدید به همراه سیاهچاله مزبور را هم اندازه گیری کنیم.
خوشبختانه با آشکارسازی رویدادی که سپتامبر سال 2015 بوسیله آشکارساز لایگو، ثبت شد، راهی برای مشخص کردن زمان دقیق تولد یک سیاهچاله برای مولر گشوده شد. رویداد ثبت شده لایگو در واقع، نتیجه برخورد دو سیاهچاله بود که پیش از برخورد با همدیگر، با سرعتی شگفت انگیز در مسیری مارپیچی به دور همدیگر در حال چرخش بودند و هر لحظه به همدیگر، نزدیک و نزدیک تر می شدند. تجزیه و تحلیل الگوی امواج گرانشی ثبت شده بوسیله لایگو، به فیزیکدان ها کمک می کرد که زمان وقوع این برخورد و تولد سیاهچاله جدید حاصل از آن را با دقت کسری از ثانیه، مشخص کنند. مولر، توضیح می دهد که در فرآیند برخورد دو سیاهچاله جدید هم همواره فضای سه بعدی جدید در کیهان ایجاد می شود چرا که جرم سیاهچاله حاصل از برخورد، بزرگتر از جرم تک تک دو سیاهچاله قبلی است و در نتیجه، گرداب فضا – زمانی آن هم گسترده تر از دو سیاهچاله مزبور است. مولر با انجام محاسبات اولیه به این نتیجه رسید که هنگام برخورد چنین سیاهچاله هایی و تشکیل یک سیاهچاله جدید، فضای سه بعدی جدیدی با حجم تقریبی چندین میلیون کیلومتر مکعب در اطراف سیاهچاله ها پدید می آید.
بر همین اساس، مولر شروع به محاسبه زمان جدید ایجاد شده ناشی از فرآیند برخورد سیاهچاله کرد و به این نتیجه رسید که اگرچه زمان متولد شده در حین این فرآیند، بسیار کوتاه و حدود چند هزارم ثانیه است، اما خوشبختانه آن قدری هست که امکان اندازه گیری آن وجود داشته باشد. به بیان دقیق تر، بر اساس محاسبات مولر، فیزیکدان های لایگو باید بتوانند پیدایش این لحظات زمانی یا «اکنون های» جدید را از طریق اندازه گیری تاخیر زمانی ایجاد شده در الگوی امواج گرانشی ثبت شده طی برخورد و تلفیق دو سیاهچاله اولیه آشکار کنند.
محاسبات نهایی
اگرچه محاسبات اولیه مولر در مورد امکان آشکارسازی تولد لحظات جدید زمان در فرآیند برخورد سیاهچاله ها کاملاً امیدبخش بوده؛ اما او به این محاسبات اولیه اکتفا نکرده و در تلاش است تا محاسبات خود را با کمک معادلات دقیق نسبیت عام، کامل تر و دقیق تر کند. برای این کار، او از شاون مگویر (Shaun Maguire)، فیزیکدان موسسه فناوری کالیفرنیا (کلتک) کمک گرفته است. مولر در این باره می گوید: «شاون، فیزیکدانی متخصص در نسبیت عام است و بنابراین ما به کمک همدیگر می توانیم محاسبات بسیار پیچیده و دقیقی در این زمینه انجام دهیم.»
مگویر تاکنون با محاسبات دقیق که در چهارچوب نسبیت عام انجام داده است، صحت ایده مولر و همینطور امکان آشکارسازی تولد لحظات جدید زمان را بوسیله آشکارساز لایگو تایید کرده است.
بدین ترتیب، مولر امیدوار است که تا چند سال آینده بتواند ایده خود را به محک آزمون بگذارد. او در این باره می گوید: «امواج گرانشی در چند رویداد ثبت شده بوسیله لایگو، به حد کافی قوی بودند که بتوانند امکان آزمودن صحت نظریه ما را فراهم کنند. به همین دلیل هم کاملاً امیدوارم که لایگو طی یک یا دو سال آینده، رویدادی با شدت مشابه یا حتی قوی تر از آن را هم ثبت کند.»
اما ممکن است حتی زودتر از اینها هم امکان بررسی صحت نظریه مولر فراهم شود؛ چرا که مولر به تازگی با کمک یکی از همکارانش، آزمایشی را طراحی کرده است که ممکن است در آینده ای نزدیک بتواند به برخی از پرسش های مطرح در مورد نظریه او پاسخ دهد. به گفته مولر، این آزمایش، با ایجاد مقدار بسیار کوچک و ریز مقیاسی از فضای جدید، اندازه گیری زمان کوچک متولد شده متناظر با فضای مزبور را بوسیله یک ساعت فوق العاده دقیق، میسر می کند. البته مولر تاکنون از ارائه جزئیات بیشتر در مورد این آزمایش، خودداری کرده؛ چرا که علاقه مند است نتیجه این آزمایش، برای نخستین بار، بطور رسمی بوسیله گروه پژوهشی تحت نظر خودش اعلام شود.
اما باید ببینیم نظر دیگر فیزیکدان ها نسبت به دیدگاه جسورانه مولر در مورد زمان چگونه است. بنابر گفته مولر، فیزیکدان های بسیاری تحت تاثیر این نظریه قرار گرفته اند و هیچ فیزیکدانی تاکنون نکته اشتباهی در آن پیدا نکرده است؛ اما به هر حال تا نتایج آزمون های تجربی در مورد این نظریه مشخص نشود، نمی توان قاطعانه در مورد آن اظهارنظر کرد.
بدین ترتیب شاید بالاخره در حال نزدیک شدن به روزگاری باشیم که «زمان»، برخی از اسرار خود را در آزمایش هایی که بدست مولر و همکارانش طراحی شده اند، برای پژوهشگران افشا کند. شاید هم طی این آزمایش ها و رصدهایی که با آشکارسازهای امواج گرانشی صورت خواهد گرفت، باز هم رازهای جدیدتری به صندوق سر به مهر اسرار زمان افزوده شوند؛ اما به هر حال، یک چیز مسلم است: اینکه پس از گذشت هزاران سال اندیشیدن و نظریه پردازی در مورد زمان، برای پاسخ به پرسش های مطرح در مورد این پدیده اسرارآمیز، باز هم به زمان بیشتری نیاز داریم.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «آیا لحظات جدید زمان، بواسطه انبساط کیهان بطور مستمر پدید می آیند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله شهاب شعری مقدم در مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.
