چرا «زمان» در درون «شیشه» به شکل متفاوتی جریان دارد؟

فرادید| آیا تا به حال حین قدم زدن در ساحل به این نکته فکر کرده‌اید که باد هرگز شن‌ها را به طور اتفاقی به شکل یک بنای خاص مثل تاج محل درنمی‌آورد؟ یا اینکه وقتی در اتاقی نشسته‌اید، اتم‌های تشکیل‌دهنده هوا هرگز تصادفا در یک گوشه به هم نمی‌چسبند تا سبب شوند شما در محیط بدون اکسیژن بخش دیگر اتاق بمیرید؟

به گزارش فرادید، این چیزها هرگز اتفاق نمی‌افتند و همه اینها به لطف قانون واحدی است که به نظر می‌رسد بر نظام طبیعت حاکم است و آن قانون دوم ترمودینامیک است. به بیان ساده، همه چیز به سمت بی‌نظمی گرایش دارد. گرما از مناطق گرم به مناطق سرد جریان می‌یابد و در یک سیستم ایزوله، آنتروپی (معیار بی‌نظمی درون یک سیستم) فقط می‌تواند افزایش یابد. 

تقریباً همه قوانین فیزیکی به لحاظ زمانی برگشت‌پذیر هستند، از معادله شرودینگر گرفته تا قوانین مکانیک کلاسیک نیوتن، اما قانون دوم ترمودینامیک متفاوت است و یک پیکان زمان را به ما نشان می‌دهد. اگر سیستمی را مشاهده کردید که به سمت بی‌نظمی پیش می‌رود، می‌توانید اطمینان داشته باشید که با زمان جلو می‌رود. شما نمی‌توانید تخم‌مرغ پخته را به عقب برگردانده و خام کنید. 

به همین دلیل، بسیار عجیب است که در درون شیشه و چند ماده مشابه دیگر که مطالعه شده‌اند، به نظر نمی‌رسد این پیکان تعیین‌کننده زمان وجود داشته باشد یا دست‌کم در هر دو جهت یکسان به نظر می‌رسد. 

در شیشه و پلاستیک (اگرچه ممکن است جامد به نظر برسند)، مولکول‌های درون می‌توانند به اطراف حرکت کنند و به دنبال حالات انرژی مطلوب‌تر باشند. این بازآرایی‌ها می‌تواند بر خواص آن‌ها اثر بگذارد و مطالعه این فرآیند را برای تولید ارزشمند کند. در این مطالعه، محققان تلاش کردند فرسودگی فیزیکی شیشه را بررسی کنند. 

این تیم در مطالعه‌شان توضیح دادند: «بر خلاف تخریب مربوط به واکنش‌های شیمیایی مانند خوردگی، فرسودگی فیزیکی شامل تغییراتی در خواص مواد می‌شود که منحصراً توسط بازآرایی‌های مولکولی ایجاد می‌شوند. مواد غیرشفاف مانند شیشه‌های معمولی، پلیمرها و شیشه‌های فلزی همگی در معرض فرسودگی فیزیکی هستند، زیرا حالت شیشه‌ای به‌طور مداوم به سمت حالت تعادل فراپایدار شل می‌شود. 

این تغییر به قدری طول می‌کشد که برای انسان قابل‌مشاهده نیست. با این حال، فرسودگی شیشه را می‌توان با استفاده از مفهوم «زمان ماده» بررسی کرد. در این مفهوم، زمان درون مواد بسته به مدت زمانی که طول می‌کشد تا مولکول‌های درون یک ماده دوباره مرتب شوند، متفاوت است. 

«زمان ماده ممکن است زمان اندازه‌گیری‌شده با ساعتی در نظر گرفته شود که سرعتش با افزایش سن شیشه تغییر می‌کند. از نظر مفهومی، شبیه مفهوم زمان مناسب نظریه نسبیت است، زمانی که با ساعت به دنبال ناظر متحرک اندازه‌گیری می‌شود. 

برای بررسی این موضوع، تیم تحقیق لیزر را به سمت نمونه‌ای از شیشه نشانه گرفت و آن را از نزدیک با یک دوربین پیشرفته زیر نظر گرفت. با برخورد نور به مولکول‌ها، نور پراکنده شد و تیم توانست الگوهای نور و تاریکی را به صورت آماری تجزیه و تحلیل کند تا مشخص شود مولکول‌های ماده با چه سرعتی خودشان را مرتب می‌کنند یا زمان ماده با چه سرعتی می‌گذرد. 

اینجا جایی است که محققان چیز بسیار عجیبی یافتند. به نظر می‌رسد نوسانات مولکول‌های درون شیشه و سایر موادی که تاکنون مطالعه شده‌اند، قابل‌برگشت به لحاظ زمانی باشند. یعنی اگر زمان به عقب برگردد، ظاهر آن‌ها یکسان خواهد بود. 

تیل بومر، نویسنده این مطالعه در بیانیه‌ای گفته: «اما معنایش این نیست که فرسودگی مواد را می‌توان معکوس کرد.» شیشه همچنان فرسوده می‌شود.

برخی پرسش‌های ایجادشده از این مطالعه: آیا این برگشت‌پذیری زمانی در مواد دیگر هم وجود دارد و ساعت داخلی آن‌ها چقدر متفاوت است؟ 

این تیم افزودند: «نتایج ما موجب ایجاد پرسش‌هایی شده است. اینکه آیا برگشت‌پذیری زمان مادی مشخصه جهانی پیری است یا خیر، آیا می‌توان روابط افت وخیز تعمیم‌یافته را بر اساس زمان مادی به جای زمان آزمایشگاهی، احتمالاً در سطح درشت بافت، فرموله کرد و اگر چنین است، چگونه این موضوع با مفهوم دمای مؤثر که مدت‌ها پیش برای توصیف پیری معرفی شد ارتباط دارد، آیا برگشت‌پذیری زمان مادی بازتاب برگشت‌پذیری قوانین اساسی فیزیک است و در نتیجه به قضیه نوسان مرتبط است که نتیجه برگشت‌پذیری زمان میکروسکوپی را تعیین می‌کند. 

این تیم امیدوارست این پرسش‌ها را با مواد مختلف بیشتر بررسی کند. ممکن است این بررسی‌ها به زودی نتایج عجیب و هیجان‌انگیزی به دنبال داشته باشند.

مترجم: زهرا ذوالقدر