یک دستاورد آزمایشگاهی بی سابقه در حوزه فیزیک کوانتوم، فرضیه های دیرینه درباره ماهیت زمان را به چالش کشیده و شواهد تجربی قدرتمندی برای یکی از عمیق ترین معماهای کیهان شناسی ارائه داده است.

به نقل از سای تک دیلی، یکی از بزرگ ترین 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 زاییده روابط میان ذرات است؟

اخیراً پژوهشگران دانشگاه بیرمنگام با خلق یک جهان مینیاتوری آزمایشگاهی، گام بزرگی برای پاسخ به این پرسش بنیادین برداشته اند. در این مطالعه که در مجله علمی پُرآوازه Physical Review Research منتشر شده است، پروفسور جیووانی بارونتینی اثبات کرد که می توان گذر زمان را بدون اتکا به هیچ گونه ساعت یا ابزار سنجش خارجی ردیابی کرد.

این تحقیق مدل جدیدی را معرفی می کند که در آن، مفهوم زمان به صورت کاملاً طبیعی و خودجوش از رفتار و تعاملات درونی خود سیستم برمی خیزد. این دستاورد، فیزیکدانان را یک قدم به حل تناقض بزرگ میان مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت عام اینشتین نزدیک تر می کند.

در فیزیک نظری، فرضیه های متعددی وجود دارند که ادعا می کنند زمان یک ویژگی اصیل و بنیادین در بافتار عالم نیست. یکی از معروف ترین این چارچوب ها، معادله ویلر-دویت (Wheeler DeWitt equation) در حوزه گرانش کوانتومی است که بیان می کند جهان در کلان ترین حالت خود، ممکن است به عنوان یک تک حالت کوانتومیِ ایستا و بدون تغییر وجود داشته باشد.

در این دیدگاه کیهانی، هیچ ساعت خارجی وجود ندارد که ثانیه ها را برای کل جهان بشمارد. در عوض، آنچه ما به عنوان گذر زمان تجربه می کنیم، ناشی از تغییراتِ روابط متقابل و درهم تنیدگی میان بخش های مختلف یک سیستم است. به عبارت دیگر، زمان تیک تاک یک ساعت غول آسا در پشت صحنه هستی نیست، بلکه یک ویژگی نوظهور است که از بطن تعاملات مادی شکل می گیرد.

پروفسور بارونتینی برای آزمایش این نظریه انقلابی در اتمسفر کنترل شده آزمایشگاه، یک سیستم کوانتومی بسته و ایزوله طراحی کرد. این سیستم حاوی ابری متشکل از 24 هزار اتم فوق سرد بود که دمای آن ها تا چند میلیاردم درجه بالاتر از صفر مطلق کاهش یافته بود؛ دمایی که در آن ذرات رفتار کلاسیک خود را از دست داده و ویژگی های ناب کوانتومی از خود بروز می دهند.

دانشمندان با استفاده از دو پرتو لیزر، یک سد پتانسیل ظریف ایجاد کردند تا اتم ها را به دو بخش متمایز روشن (تحت نظارت) و تاریک (پنهان) تقسیم کنند. ناحیه روشن به طور متناوب منبسط و منقبض می شد؛ رفتاری که به طرز شگفت انگیزی یادآور سناریوی کیهانی مهبانگ (Big Bang) و متعاقب آن رمبش بزرگ است.

از آنجا که توالی این رویدادها کاملاً از درون خود سیستم و بر اساس روابط ذرات قابل بازسازی بود، این آزمایش هیچ نیازی به مرجع زمان سنج بیرونی نداشت. نتایج به وضوح نشان داد که مفهوم زمان می تواند به جای وجود به عنوان یک مؤلفه خارجی، از دل دگرگونی های ساختاری یک سیستم کوانتومی متولد شود.

این جهان مینیاتوری فاش کرد که زمان ارتباط تنگاتنگی با مفهوم آنتروپی (شاخص پراکندگی و بی نظمی ذرات) دارد. بررسی ها نشان داد هرگاه توزیع ذرات در فضا دچار افزایش یا کاهش نظم می شد، سیستم عملاً در زمان به سمت جلو حرکت می کرد.

اما در لحظاتی که توزیع ذرات ثابت می ماند و هیچ جابه جایی صورت نمی گرفت، جریان زمان نیز متوقف می شد. پروفسور بارونتینی این پدیده را زمان آنتروپیک نامیده است. این مدل از زمان واجد سه ویژگی منحصربه فرد است:

پروفسور بارونتینی تشریح می کند که در زندگی روزمره، ما شاهد جریان یک طرفه زمان هستیم که یک پارادوکس بزرگ با اکثر قوانین بنیادین فیزیک (که تقارن زمانی دارند) ایجاد می کند. این پژوهش، نخستین مدرک آزمایشگاهی است که نشان می دهد زمان را می توان بر اساس تغییرات درونی سیستم تعریف کرد.

نکته حائز اهمیت دیگر این است که یکی از محوری ترین فرمول های مکانیک کوانتومی، یعنی معادله شرودینگر، می تواند بر حسب این زمان آنتروپیک بازنویسی شود. این بازنویسی به دانشمندان اجازه می دهد سیر تکامل ابر احتمالی یک سیستم کوانتومی را به درستی پیش بینی کنند.

این تحقیق اثبات کرد که پاسخ به این پرسش فلسفی که چطور رویدادها پشت سر هم رخ می دهند؟ در دل خود سیستم ها نهفته است. این متدولوژی در آینده می تواند برای شبیه سازی رفتار افق رویداد سیاه چاله ها و فراهم کردن بستر آزمایشگاهی واقعی برای راستی آزمایی گرانش کوانتومی به کار گرفته شود.

منبع: فرارو