بعدی- یک دستاورد آزمایشگاهی بی سابقه در این زمینه فیزیک کوانتومیفرضیه های قدیمی در مورد ماهیت زمان شواهد تجربی قدرتمندی را برای یکی از عمیق ترین اسرار کیهان شناسی به چالش کشیده و ارائه کرده است.
یکی از بزرگترین چالش های تاریخ فیزیک مدرن، درک ماهیت واقعی “زمان” است. آیا زمان یک ظرف پیش فرض و مستقل است که کل جهان در آن حرکت می کند یا صرفاً یک پدیده ثانویه و محصول روابط بین ذرات است؟
اخیراً محققان دانشگاه بیرمنگام با ایجاد «دنیای مینیاتوری» آزمایشگاهی گام بزرگی برای پاسخ به این سوال اساسی برداشته اند. در این مطالعه که در مجله علمی معتبر Physical Review Research منتشر شد، پروفسور جووانی بارونتینی ثابت کرد که می توان گذر زمان را بدون تکیه بر ساعت یا دستگاه اندازه گیری خارجی ردیابی کرد.
این تحقیق مدل جدیدی را معرفی می کند که در آن مفهوم زمان به طور کاملا طبیعی و خود به خود از رفتار و تعاملات درونی خود سیستم ناشی می شود. این دستاورد فیزیکدانان را یک قدم به حل یک تناقض بزرگ نزدیکتر می کند مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت عام اینشتین آن را نزدیکتر می کند.
دنیای بدون ساعت؛ زمان به عنوان یک پدیده نوظهور
در فیزیک نظری، فرضیههای متعددی وجود دارد که ادعا میکنند زمان یک ویژگی اصیل و اساسی در متن جهان نیست. یکی از معروف ترین این فریم ورک ها معادله ویلر-دیویت در زمینه گرانش کوانتومی که بیان می کند که جهان در حالت کلان خود ممکن است به عنوان یک حالت واحد کوانتومی ثابت و تغییرناپذیر وجود داشته باشد.
در این نمای کیهانی، هیچ ساعت خارجی وجود ندارد که برای کل کیهان ثانیه شماری کند. در عوض، آنچه ما به عنوان گذر زمان تجربه می کنیم ناشی از تغییرات در روابط متقابل و درهم تنیدگی بین بخش های مختلف یک سیستم است. به عبارت دیگر، تیک تاک زمان، یک ساعت غول پیکر در پشت صحنه هستی نیست، بلکه یک خاصیت نوظهور است که از بطن فعل و انفعالات مادی بیرون می آید.
شبیه سازی انفجار بزرگ با اتم های فوق سرد
پروفسور بارونتینی یک سیستم کوانتومی بسته و ایزوله را برای آزمایش این نظریه انقلابی در یک جو آزمایشگاهی کنترل شده طراحی کرد. این سیستم حاوی ابری از 24000 اتم فوق سرد بود که دمای آنها به چند میلیاردم درجه بالای صفر مطلق کاهش یافته بود. دمایی که در آن ذرات رفتار کلاسیک خود را از دست می دهند و خواص کوانتومی خالص از خود نشان می دهند.
دانشمندان با استفاده از دو پرتو لیزر، یک سد بالقوه ظریف ایجاد کردند تا اتم ها را به دو بخش “نور” (مشاهده) و “تاریک” (پنهان) تقسیم کنند. منطقه روشن به طور متناوب منبسط و منقبض می شود. رفتاری که به طرز شگفت انگیزی یادآور سناریوی کیهانی است بیگ بنگ و سپس ویرانی بزرگ وجود دارد.
از آنجایی که توالی این رویدادها می تواند به طور کامل از درون خود سیستم و بر اساس روابط ذرات بازسازی شود، این آزمایش به هیچ مرجع کرونومتر خارجی نیاز نداشت. نتایج به وضوح نشان داد که مفهوم زمان میتواند از دگرگونیهای ساختاری یک سیستم کوانتومی بهجای اینکه بهعنوان یک جزء خارجی وجود داشته باشد، زاده شود.
راز “زمان آنتروپیک”؛ چرا زمان به عقب برنمی گردد؟
این دنیای مینیاتوری نشان داد که زمان ارتباط نزدیکی با مفهوم دارد آنتروپی (شاخص پراکندگی و بی نظمی ذرات). بررسی ها نشان داد که هر زمان توزیع ذرات در فضا به ترتیب کاهش یا افزایش یافت، سیستم در واقع در زمان به جلو حرکت کرد.
اما در لحظاتی که توزیع ذرات ثابت می ماند و حرکتی صورت نمی گرفت، جریان زمان نیز متوقف می شد. پروفسور بارونتینی این پدیده “زمان آنتروپیک” نامیده می شود این مدل زمان دارای سه ویژگی منحصر به فرد است:
- همیشه در یک جهت و یک حرکت می کند فلش زمان روشنی را از گذشته به آینده ایجاد می کند.
- توالی صحیح وقایع را حتی در مراحل انقباض و آرامش به دقت حفظ می کند.
- نرخ جریان آن کاملاً منعطف است، بسته به سرعت توزیع مجدد آنتروپی، شتاب یا کاهش می یابد.
بازنویسی معادلات کوانتومی و افق های جدید کیهان شناسی
پروفسور بارونتینی توضیح می دهد که در زندگی روزمره، ما یک جریان یک طرفه از زمان را می بینیم که تناقض بزرگی با اکثر قوانین اساسی فیزیک (که دارای تقارن زمانی هستند) ایجاد می کند. این تحقیق اولین شواهد آزمایشگاهی است که نشان می دهد بر اساس تغییرات داخلی سیستم می توان زمان را تعریف کرد.
نکته مهم دیگر این است که یکی از محوری ترین فرمول های مکانیک کوانتومی، یعنی معادله شرودینگرمی توان بر حسب این «زمان آنتروپیک» بازنویسی کرد. این بازنویسی به دانشمندان اجازه می دهد تا به درستی تکامل ابر احتمال یک سیستم کوانتومی را پیش بینی کنند.
این تحقیق ثابت کرد که پاسخ به سؤال فلسفی «چگونه رویدادها یکی پس از دیگری رخ می دهند؟ در قلب خود سیستم ها نهفته است. در آینده، این روش میتواند برای شبیهسازی رفتار افق رویداد سیاهچالهها و ارائه یک بستر آزمایشگاهی واقعی برای تأیید استفاده شود. گرانش کوانتومی مورد استفاده قرار گیرد
