تعریف زمان در فیزیک

در فیزیک، زمان با دو روش متفاوت تعریف می شود:

الف - روش ترمودینامیکی: این روش را برای نخستین بار فیزیکدانانی مانند کلوین و سلسیوس که به مفهوم دما و تبادلات گرمایی علاقمند بودند، بنیان نهادند. اما شکل پخته و امروزین آن را در آثار اندیشمندانی مانند بولتزمان می بینیم.
تعریف ترمودینامیکی زمان، بر الگوهایی از رفتار مبتنی است که در سیستمهای ساده دیده می شود. بخش مهمی از سیستمهایی که در پیرامون ما وجود دارند، نظامهایی ساده هستند که از شمار زیادی از عناصر به نسبت ساده تشکیل یافته اند. عناصری که رفتارشان تقریبا تصادفی به نظر می رسد، اما برآیند رفتارهای سطح خردشان بر مبنای قواعدی کلان پیش بینی پذیر است. بررسی تحولات انرژیایی این سیستمها، ستون فقرات علم ترمودینامیک را تشکیل می دهد.

کل ساختمانِ علم ترمودینامیک، بنایی است که بر پایه ی چند شاه ستونِ اصلی تکیه کرده است. این ستونها، قوانین ترمودینامیک خوانده می شوند. قوانین یاد شده، از نظر منطقی بسیار ساده و بدیهی می نمایند. مثلا قانون صفرم ترمودینامیک چنین می گوید که اگر دو سیستمِ آ و ب از نظر حرارتی با هم در تعادل باشند، و دو سیستم ب و پ هم چنین وضعیتی داشته باشند، آنگاه دو سیستم آ و پ هم با هم در تعادل گرمایی خواهند بود. چنان که می بینید، این در واقع بیانی حرارتی از اصل منطقی این همانی است.
دومین قانون ترمودینامیک، چنین می گوید که سیستمهای باز به مرور زمان به سوی بی نظمی (آنتروپی) میل می کنند. این بدان معناست که متغیری ثابت و عام به نام زمان بر رفتار چنین سیستمهایی حاکم است. با یک مثال ساده می توان رابطه ی زمان و آنتروپی را نشان داد.
فرض کنید در یک اتاق، شیشه ای عطر داشته باشیم و درِ آن را گشوده باشیم. در چنین وضعیتی تراکم مولکولهای عطر در یک نقطه ی خاص از اتاق -درون شیشه- نشانگر وجود شکلی از نظم است. اتاقی که در آن مولکولهای عطر در کنار هم و مولکولهای هوا در کنار هم قرار گرفته اند، اتاقی منظم است و محتوای اطلاعاتی اش از اتاقی که مولکولهای یاد شده به طور نامنظم و درهم برهم قرار گرفته باشند، بیشتر است. قانون دوم ترمودینامیک به ما می گوید که سیستمی باز -مانند شیشه ی عطرِ دارای درِ گشوده- در گذر زمان از حالت منظم اولیه به سوی وضعیت نامنظم دومی پیش خواهد رفت. آنچه که در این میان افزایش می یابد، بی نظمی اتاق است که در ترمودینامیک با عنوان آنتروپی شناخته می شود.

ب - روش تاریخ مدارانه: این روش زمان را بر مبنای سیستمهای پیچیده ای تعریف می کند که امکان انباشت اطلاعات و تجربیات را در خود دارند. در این سیستمها، گذر زمان به کاهش یافتنِ بی نظمی و افزایش نظم منتهی می شود. مثلا وقتی به بدن مجروح یک انسانِ یا بذر یک گیاه نگاه می کنیم، می بینیم که با مرور زمان مقدار نظم درونی این سیستمها زیاد می شود. فرد زخمی بهبود می یابد و بذر به گیاه تبدیل می شود. به این ترتیب به نظر می رسد تعریف تاریخ مدارانه از زمان، با تعریف ترمودینامیکی آن در تضاد باشد.

چنان که می دانیم، مهمترین ویژگی حاکم بر قوانین علوم تجربی مانند فیزیک، ناوردایی یا تقارن است. تقارن بدان معناست که قوانین یاد شده در تمام شرایط قابل تصور صدق می کنند. این بدان معناست که قوانین مزبور بیانگر ماهیت موضوع پژوهش و شیوه ی رفتار آن هستند و به شرایط پیرامونیِ آن وابسته نمی باشند.
کل قوانین فیزیک، نسبت به همه ی شرایط ناوردا هستند. تنها متغیری که این تقارن در هم می شکند، زمان است و منشا این نقض شدنِ تقارن، قانون دوم ترمودینامیک است. محور زمان، تنها شاخص فیزیکی است که جهت دارد و در مسیر مشخصی جریان می یابد و بسته به این جهت، رفتار سیستمها دگرگون می شود.
برای درک دقیقتر این مفهوم اشاره به مثالی روشنگر است. قانونی مثل F=Ma را در نظر بگیرید. این قانون بیان می کند که شاخصی مثل نیرو، با دو شاخص دیگر (شتاب و جرم) رابطه دارد. این معادله نسبت به محورهای مکان ناورداست. یعنی اگر به جسمی در جهتی نیرو وارد کنیم، شتاب آن بسته به جرمش -و نه چیزی دیگر- تعیین می شود. اگر به همان جسم در جهت معکوس نیرو وارد کنیم، بار دیگر تنها جرم آن است که شتابش را تعیین می کند. جهت اعمال نیرو و مکانِ ظهور چنین پدیده ای در صحت این معادله تاثیری ندارد. مکان زمینه ای خنثاست که قانون یاد شده همواره در آن صدق می کند. مهم نیست شما در چه جهتی بر جسم نیرو وارد کنید و کجا این کار را انجام دهید، قانون یاد شده در کل کائنات و در تمام جهتهای قابل تصور برای اعمال نیرو، مصداق دارد.

اما قانون دوم ترمودینامیک چنین وضعیتی ندارد. این قانون نسبت به محور زمان ناوردا نیست. اگر سیستم بر محور زمان "پیش برود" یعنی از گذشته به آینده حرکت کند، قانون دوم ترمودینامیک صدق می کند، و اگر جهتی معکوس برای آن فرض شود، اعتبار این قانون از بین می رود. سیستمهای باز تنها در شرایطی که زمان در جهت خاصی حرکت کند، آنتروپی خود را افزایش می دهند.
از این روست که زمان در معادلات فیزیکی به صورت متغیری مستقل وارد می شود و به صورت شاخصی عام عمل می کند که "جهت و ترتیب" رخدادها را نشان می دهد.

مفهوم فیزیکی زمان دو مشکل اساسی دارد

الف: تعریف ترمودینامیکی و تاریخ مدار از زمان به ظاهر با هم در تعارض هستند. بنابراین تعریف یگانه و فراگیری از زمان وجود ندارد. گویی زمان در سیستمهای بازِ ساده و پیچیده به دو شکل متفاوت تعریف شود.

ب: توضیح این که چرا زمان -به عنوان متغیری عام- اینطور یک طرفه عمل می کند و تنها در جهت خاصی جریان دارد، دشوار است. به بیان دیگر، "پیکان زمان" و حرکت دایمی و ثابتش از گذشته به آینده امری است که نیاز به توضیح و تبیین دارد.
تلاشهای زیادی برای آشتی دادنِ دو تعریف ترمودینامیک و تاریخ مدار از زمان صورت گرفته است.
یکی از جالبترینِ این تلاشها، به پیشنهاد دیوید لیزر مربوط می شود. وی معتقد است که مفهوم اطلاعات -مبنای اصلیِ تعریف مفهوم آنتروپی- در سطوح خرد و میکروسکپی قابل تعریف نیست. به عبارت دیگر، در سطح میکروسکپی، محور زمان متقارن است و تمایزی میان حرکت از گذشته به آینده و از آینده به گذشته وجود ندارد. او از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، برای تایید حرف خود استفاده می کند. این اصل اعلام می کند که تعداد حالات قابل تصور برای یک سیستم فیزیکی متناهی است، و بنابراین توصیف آن با مقداری متناهی از اطلاعات ممکن است. این بدان معناست که اطلاعات در سطح میکروسکپی حدی مشخص دارند و نامتناهی نمی باشند. این اصل در مورد تمام زیرسیستم های کیهان صادق است.
اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را می توان به خودِ کیهان هم تعمیم داد. کیهان، با زیرسیستمهایش در یک مورد تفاوت دارد و آن هم بیکران بودنش است. اگر اصل تقارن محض انشتین را بپذیریم، یعنی قبول کنیم که اثرات تصادفی هم در کیهان توزیعی متقارن دارند، به این نتیجه می رسیم که اطلاعات سطح میکروسکپی، اگر در سطح کیهان -یعنی کلیت عالم- نگریسته شوند، عینیت ندارند. چرا که در سطوح خرد، می توان همانندیهایی اطلاعاتی را در میان سیستمهایی تشخیص داد که در سطح کلان متفاوتند یعنی از محتواهای اطلاعاتی متمایزی برخوردارند.
پیشنهاد لیزر به طور خلاصه آن است که محور زمان را در سطوح میکروسکپی متقارن فرض کنیم. در چنین شرایطی، پیش فرضِ کیهان شناسانی مانند هویل و نارلیکار که اعتقاد دارند جهان از حالت عدم تعادل ترمودینامیکی اولیه (مهبانگ) زاده شده و به سوی چنین تعادلی (مرگ حرارتی) حرکت می کند، قطعیت خود را از دست می دهد. از دید لیزر، چنین تصوری از تکامل عالم، در پیش فرضهایی قدیمی تر ریشه دارد. این پیش فرض آن است که جهان یک سیستم دینامیک بسته است و بنابراین حرکتی که در آن مشاهده می شود، با قانون دوم ترمودینامیک تبیین می شود. از دید لیزر، با توجه به نقض جهت دار بودنِ زمان در سطح میکروسکپی، این حالت که جهان از وضعیتی نامتعادل به سوی تعادل پیش رود، همانقدر محتمل است که وضعیت برعکسِ آن. در واقع لیزر از این مدل اخیر دفاع می کند و معتقد است نقطه ی شروع عالم وضعیتی نزدیک به تعادل ترمودینامیکی بوده و در گذر زمان کیهان از این تعادل دور می شود .

مشکل دوم، یعنی جهت مند بودنِ زمان، به اشکال متفاوت تبیین شده است. فیزیکدانانی مانند امیل بورل اعتقاد داشتند که بسته نبودنِ سیستمهای فیزیکی، به معنای آن است که هیچ سیستمی از تاثیر عناصر تصادفی و کاتوره ای محیط خود در امان نیست. در نتیجه ی اثر این عوامل، اطلاعات سطحِ خُرد هنگام سازمان دادن نظمهای سطح کلان به طور منظم تلف می شوند و این همان چیزی است که اصل آنتروپیک و جهت دار شدنِ زمان را نتیجه می دهد. برخی دیگر از اندیشمندان -مانند مک ناگارت- اصولا جهتمند بودنِ زمان را نفی کرده اند.
تاکید مک ناگارت بر مفهومی از زمان است که بر چیده شدن رخدادها در کنار هم -به صورت توالیهایی از قبل و بعد- دلالت دارد. در این تعریف -که خصلتی نیوتونی هم دارد،- زمان "چیزی" است مانند مکان، که همچون ظرفی رخدادها را در بر می گیرد. نقطه ای به نام اکنون بر این محور وجود دارد که رخدادهای قبل و بعدِ آن به گذشته و آینده منسوب می شوند و جایگیری شان نسبت به هم به آنها -و به محور زمان- معنا می بخشد.
مک ناگارت معتقد است که دو بیان از این محور زمانی وجود دارد.

نخست: "سریِ آ" که بر چیده شدن رخدادها نسبت به مرجعی به نام اکنون مبتنی است. سری آ در صورتی معنا دارد که بتواند بر مبنای صفاتی اصیل و غیر انضمامی رخدادها را نسبت به هم مرتب کند.

دوم: "سری ب" که نظم رخدادها را بر مبنای رابطه ی قبل و بعدشان با یکدیگر می سنجد و مرجع اکنون را نادیده می گیرد.
استدلال او برای رد مفهوم خطی زمان این چنین است:

الف) زمان وجود دارد اگر و فقط اگر سری ب وجود داشته باشد. یعنی زمینه ای از رخدادها و تحولات وجود داشته باشند که با یکدیگر قابل مقایسه باشند.

ب) این امر تنها زمانی امکان پذیر است که چیزی به نام تغییر وجود داشته باشد. یعنی چیزی میان رخدادهای مربوط به زمانهای مختلف تمایز گذارد. (هرچند برخی از نویسندگان مانند شومیکر تصور جهانی فاقد تغییر ولی واجد زمان را ممکن دانسته اند.)

پ) تغییر تنها زمانی ممکن خواهد بود که نوعی سری آ وجود داشته باشد. یعنی وجود زمینه ای از رخدادهای مشابه که نسبت به هم قبل و بعد داشته باشند ولی مرجعی بیرونی برای چیده شدنشان وجود نداشته باشد، بر تفاوت میانشان -یعنی حضور تغییر- دلالت نمی کند.

ت) رخدادهای درون سری آ تنها به یکی از مفاهیم گذشته، حال، یا آینده متصل می شوند. اتصال آنها به بیش از یکی از این مفاهیم، به تناقض منتهی می شود.

ث) در نتیجه، اعتبار محور زمان و مرجعِ اکنون -که سری آ را می ساخت- تنها به زنجیره ای از روابط مفهومی وابسته است که هیچ یک اعتبار کامل ندارند. یعنی در هر برش مشاهداتی، هر رخداد تنها یکی از سه وضعیت یاد شده را به خود می پذیرد. از اینجا بر می آید که سه مفهوم حال، گذشته و آینده خصلتی انضمامی دارند و بنابراین نمی توانند شالوده ی استواری را برای سری آ فراهم کنند.

منبع: سایت نیازمندی کرج