فیزیکدانان با خلق یک «جهان مینیاتوری» معمای بزرگ کیهان را حل کردند

یک دستاورد آزمایشگاهی بی‌سابقه در حوزه فیزیک کوانتوم، فرضیه‌های دیرینه درباره ماهیت زمان را به چالش کشیده و شواهد تجربی قدرتمندی برای یکی از عمیق‌ترین معماهای کیهان‌شناسی ارائه داده است.

به گزارش فرارو به نقل از سای تک دیلی، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های تاریخ فیزیک مدرن، درک ماهیت واقعی «زمان» است. آیا زمان یک ظرف پیش‌فرض و مستقل است که کل جهان در آن حرکت می‌کند، 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 برداشته‌اند. در این مطالعه که در مجله علمی پُرآوازه Physical Review Research منتشر شده است، پروفسور جیووانی بارونتینی اثبات کرد که می‌توان گذر زمان را بدون اتکا به هیچ‌گونه ساعت یا ابزار سنجش خارجی ردیابی کرد.

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

جهان بدون ساعت؛ زمان به‌عنوان یک پدیده نوظهور

در فیزیک نظری، فرضیه‌های متعددی وجود دارند که ادعا می‌کنند زمان یک ویژگی اصیل و بنیادین در بافتار عالم نیست. یکی از معروف‌ترین این چارچوب‌ها، معادله ویلر-دویت (Wheeler–DeWitt equation) در حوزه گرانش کوانتومی است که بیان می‌کند جهان در کلان‌ترین حالت خود، ممکن است به عنوان یک تک‌حالت کوانتومیِ ایستا و بدون تغییر وجود داشته باشد.

در این دیدگاه کیهانی، هیچ ساعت خارجی وجود ندارد که ثانیه‌ها را برای کل جهان بشمارد. در عوض، آنچه ما به عنوان گذر زمان تجربه می‌کنیم، ناشی از تغییراتِ روابط متقابل و درهم‌تنیدگی میان بخش‌های مختلف یک سیستم است. به عبارت دیگر، زمان تیک‌تاک یک ساعت غول‌آسا در پشت صحنه هستی نیست، بلکه یک ویژگی نوظهور است که از بطن تعاملات مادی شکل می‌گیرد.

شبیه‌سازی مهبانگ با اتم‌های فوق‌سرد

پروفسور بارونتینی برای آزمایش این نظریه انقلابی در اتمسفر کنترل‌شده آزمایشگاه، یک سیستم کوانتومی بسته و ایزوله طراحی کرد. این سیستم حاوی ابری متشکل از ۲۴ هزار اتم فوق‌سرد بود که دمای آن‌ها تا چند میلیاردم درجه بالاتر از صفر مطلق کاهش یافته بود؛ دمایی که در آن ذرات رفتار کلاسیک خود را از دست داده و ویژگی‌های ناب کوانتومی از خود بروز می‌دهند.

دانشمندان با استفاده از دو پرتو لیزر، یک سد پتانسیل ظریف ایجاد کردند تا اتم‌ها را به دو بخش متمایز «روشن» (تحت نظارت) و «تاریک» (پنهان) تقسیم کنند. ناحیه روشن به طور متناوب منبسط و منقبض می‌شد؛ رفتاری که به طرز شگفت‌انگیزی 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 زمان‌سنج بیرونی نداشت. نتایج به وضوح نشان داد که مفهوم زمان می‌تواند به جای وجود به عنوان یک مؤلفه خارجی، از دل دگرگونی‌های ساختاری یک سیستم کوانتومی متولد شود.

راز «زمان آنتروپیک»؛ چرا زمان به عقب بازنمی‌گردد؟

این جهان مینیاتوری فاش کرد که زمان ارتباط تنگاتنگی با مفهوم آنتروپی (شاخص پراکندگی و بی‌نظمی ذرات) دارد. بررسی‌ها نشان داد هرگاه توزیع ذرات در فضا دچار افزایش یا کاهش نظم می‌شد، سیستم عملاً در زمان به سمت جلو حرکت می‌کرد.

اما در لحظاتی که توزیع ذرات ثابت می‌ماند و هیچ جابه‌جایی صورت نمی‌گرفت، جریان زمان نیز متوقف می‌شد. پروفسور بارونتینی این پدیده را «زمان آنتروپیک» نامیده است. این مدل از زمان واجد سه ویژگی منحصربه‌فرد است:

همواره در یک جهت واحد حرکت می‌کند و یک پیکان زمان مشخص را از گذشته به آینده پدید می‌آورد.

توالی درست وقایع را حتی در فازهای انقباضی و رمبش به طور دقیق حفظ می‌کند.

سرعت جریان آن کاملاً انعطاف‌پذیر است و بسته به نرخ بازتوزیع آنتروپی، شتاب می‌گیرد یا کند می‌شود.

بازنویسی معادلات کوانتومی و افق‌های جدید کیهان‌شناسی

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

نکته حائز اهمیت دیگر این است که یکی از محوری‌ترین فرمول‌های مکانیک کوانتومی، یعنی معادله شرودینگر، می‌تواند بر حسب این «زمان آنتروپیک» بازنویسی شود. این بازنویسی به دانشمندان اجازه می‌دهد سیر تکامل ابر احتمالی یک سیستم کوانتومی را به درستی پیش‌بینی کنند.

این تحقیق اثبات کرد که پاسخ به این پرسش فلسفی که «چطور رویدادها پشت سر هم رخ می‌دهند؟» در دل خود سیستم‌ها نهفته است. این متدولوژی در آینده می‌تواند برای شبیه‌سازی رفتار افق رویداد سیاه‌چاله‌ها و فراهم کردن بستر آزمایشگاهی واقعی برای راستی‌آزمایی گرانش کوانتومی به کار گرفته شود.