ایتنا – زمان چیست؟

زمان در اطراف ما وجود دارد و اساس نحوه ثبت‌وضبط زندگی روی زمین است. تمدن‌ها طلوع و سقوط می‌کنند، ستارگان متولد و خاموش می‌شوند، و روش ما برای ردیابی چگونگی ارتباط آن لحظات با زمان حال، بدون تغییر باقی می‌ماند. اما زمان آنقدرها هم که به نظر می‌رسد ثابت و ساده نیست.

 

به گزارش ایتنا و به نقل از Space، در قرن هفدهم آیزاک نیوتن زمان را مانند تیری می‌دید که از کمان پرتاب می‌شود؛ در یک خط مستقیم، مستقیم حرکت می‌کرد و هرگز از مسیر خود منحرف نمی‌شد. برای نیوتن، یک ثانیه روی زمین به اندازه همان ثانیه در مریخ، مشتری یا در اعماق فضا بود. او معتقد بود که حرکت مطلق قابل تشخیص نیست، به این معنی که هیچ چیز در جهان سرعت ثابتی ندارد؛ حتی نور.

او با این نظریه، فرض کرد که اگر سرعت نور متفاوت باشد، پس زمان باید ثابت باشد. زمان باید از یک ثانیه به ثانیه دیگر حرکت کند؛ بدون تمایز قائل شدن میان طول هر دو ثانیه. هر روز تقریباً ۲۴ ساعت دارد و یک روز ۲۳ ساعتی یا یک روز ۲۶ ساعتی نداریم.

 

با این حال، آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ اظهار داشت که سرعت نور تغییر نمی‌کند، بلکه ثابت است و با سرعتی برابر با ۲۹۹ هزار و ۷۹۲ کیلومتر در ثانیه حرکت می‌کند. او فرض می‌کرد که زمان بیشتر شبیه یک رودخانه است و بسته به تأثیرات گرانش و فضا-زمان در حال فروکش و خروش است. زمان در اطراف اجرام کیهانی با جرم‌ها و سرعت‌های مختلف حرکت می‌کند و بنابراین یک ثانیه در زمین، در همه جای کیهان یکسان نمی‌گذرد.

 

صحت نظریه انیشتین چند دهه بعد ثابت شد. در ماه اکتبر سال ۱۹۷۱، فیزیکدانان جی سی هافل و ریچارد کیتینگ نظریه انیشتین را با پرواز چهار ساعت اتمی سزیم در هواپیماها در سراسر جهان، به سمت شرق و سپس به سمت غرب آزمایش کردند.

 

هافل و کیتینگ در مقاله خود که در سال ۱۹۷۲در نشریه Science منتشر شد، گزارش کردند که ساعت‌های هوابرد در سفر به شرق حدود ۵۹ نانوثانیه کندتر از ساعت اتمی زمینی و ۲۷۳ نانوثانیه سریع‌تر از نمونه زمینی هنگام سفر به غرب است. نتایج آنها با تأیید نظریه انیشتین، نشان می‌داد که زمان در سراسر جهان در نوسان است.

 

دو روش اصلی برای اندازه‌گیری زمان وجود دارد: زمان دینامیکی و زمان اتمی. اولی بر حرکت اجرام آسمانی، از جمله زمین، برای پیگیری زمان تکیه دارد؛ چه زمان چرخش یک ستاره در حال چرخش دور مانند یک تپ‌اختر، و چه حرکت یک ستاره در سراسر آسمان شب یا چرخش زمین. با این حال، با وجود ستاره چرخان، این روش‌ها همیشه کاملاً دقیق عمل نمی‌کنند.

 

تعریف قدیمی ثانیه بر اساس چرخش زمین بود. همانطور که خورشید یک روز طول می‌کشد تا از شرق طلوع، در غرب غروب، و دوباره طلوع کند، یک روز تقریباً به طور دلخواه به ۲۴ ساعت، یک ساعت به ۶۰ دقیقه و یک دقیقه به ۶۰ ثانیه تقسیم شد. با این حال، زمین به طور یکنواخت نمی‌چرخد. به دلیل عواملی مانند اصطکاک جزرومدی، چرخش زمین با نرخ در حدود ۳۰ ثانیه در هر ۱۰ هزار سال کاهش می‌یابد. دانشمندان با معرفی ثانیه‌های کبیسه، راه‌هایی برای محاسبه سرعت در حال تغییر چرخش زمین ابداع کرده‌اند؛ اما برای سنجش دقیق‌ترین زمان باید به مقیاس‌های کوچکتر برویم.

 

زمان اتمی به انتقال انرژی در یک اتم از یک عنصر خاص (معمولاً سزیم) متکی است. با تعریف یک ثانیه با استفاده از تعداد این انتقال‌ها، زمان را می‌توان با دقت از دست دادن بخش کوچکی از ثانیه در یک میلیون سال اندازه‌گیری کرد. اکنون ثانیه به عنوان ۹٬۱۹۲٬۶۳۱٬۷۷۰ انتقال در اتم سزیم تعریف می‌شود.

 

ساعت‌های اتمی دقیق‌ترین ساعت‌های روی زمین هستند. کل سامانه جی‌پی‌اس در مدار اطراف زمین، از ساعت‌های اتمی برای ردیابی دقیق موقعیت‌ها و انتقال داده‌ها به زمین استفاده می‌کند، در حالی که مراکز علمی برای دقیق‌ترین محاسبه زمان – معمولاً با اندازه‌گیری انتقال درون اتم سزیم – برپا شده‌اند.

 

با اینکه بیشتر ساعت‌های اتمی به میدان‌های مغناطیسی متکی هستند، اما ساعت‌های مدرن برای ردیابی و تشخیص انتقال انرژی در اتم‌های سزیم و اندازه‌گیری دقیق‌تر زمان از لیزر استفاده می‌کنند. اگرچه در حال حاضر برای ثبت و ضبط زمان در سرتاسر جهان از ساعت‌های سزیمی استفاده می‌شود، اما ساعت‌های استرانسیومی وعده دقت دو برابری می‌دهند. از سوی دیگر، آزمایش مبتنی بر اتم‌های جیوه باردار می‌تواند اختلافات در هر ۴۰۰ میلیون سال، حتی به کمتر از یک ثانیه کاهش دهد.

 

دانشمندان زمانی فکر می‌کردند که فضا و زمان از هم جدا هستند و جهان صرفاً مجموعه‌ای از اجرام کیهانی است که در فضای سه‌بعدی قرار گرفته‌اند. اما انیشتین مفهوم زمان را به عنوان بعد چهارم معرفی کرد؛ به این معنی که مکان و زمان به طور جدایی‌ناپذیری به هم مرتبط هستند. نظریه نسبیت عام او نشان می‌دهد که فضا-زمان بسته به تکانه و جرم ماده مجاور، منبسط و منقبض می‌شود.

 

سال‌ها پس از این پیشنهاد، نظریه نسبیت عام اینشتین به لطف کاوشگر گرانشی B ناسا به اثبات رسید و نشان داده شد که فضا و زمان واقعاً به هم مرتبط هستند. چهار ژیروسکوپ در راستای یک ستاره دوردست قرار گرفته بودند و اگر گرانش بر فضا و زمان اثر نمی‌گذاشت، در همان موقعیت قفل می‌ماندند.

با این حال، دانشمندان به وضوح یک اثر «کشش قاب» را به دلیل گرانش زمین مشاهده کردند؛ به این معنی که ژیروسکوپ‌ها فقط تا حد بسیار بسیار اندکی از موقعیت خارج شده بودند. این امر نشان می‌دهد که تار و پود فضا را می‌توان تغییر داد، و اگر مکان و زمان به هم مرتبط باشند، زمان می‌تواند توسط گرانش کشیده و منقبض شود.

 

چرا زمان فقط رو به جلو حرکت می‌کند؟

 اگرچه نیوتن و انیشتین برای توضیح چگونگی کارکرد زمان نظریه‌های متضادی ارائه کردند، اما هر دو محقق موافق بودند که زمان تنها رو به جلو حرکت می‌کند. تاکنون هیچ مدرک فیزیکی نبوده است که نشان دهد چیزی در جهان می‌تواند زمان را «جاخالی دهد» و به سمت عقب حرکت کند و یا به جلو بپرد. دانشمندان کاملاً مطمئن نیستند که چرا زمان فقط به جلو می‌رود، اما نظریه‌هایی در این مورد دارند.

 

یک نظریه بر قانون دوم ترمودینامیک تکیه دارد. این قانون بیان می‌کند که همه چیز در جهان از آنتروپی پایین به آنتروپی بالا یا از یکنواختی به سمت بی‌نظمی حرکت می‌کند؛ از سادگی در مهبانگ تا آرایش تقریباً تصادفی کهکشان‌ها و ساکنان آن‌ها در امروز. هوو پرایس (فیلسوف تحلیلی) در سال ۲۰۰۶ و در همایش Séminaire Poincaré گفت که این مطلب به عنوان «پیکان زمان» شناخته می‌شود، که احتمالاً توسط ستاره‌شناس بریتانیایی آرتور ادینگتون در سال ۱۹۲۸ ابداع شد.

 

نظر ادینگتون این بود که زمان متقارن نیست. او در کتاب خود با عنوان «طبیعت جهان فیزیکی» در سال ۱۹۲۸ نوشت: «اگر همانطور که پیکان را دنبال می‌کنیم، عنصر تصادفی بیشتری را در جهان پیدا کنیم، پس نوک پیکان آینده را نشان می‌دهد؛ اگر عنصر تصادفی کاهش یابد، نوک پیکان گذشته را نشان می‌دهد». برای مثال، اگر یک ستاره را تقریباً بصورت یکنواخت مشاهده کنید، اما بعداً ببینید که به شکل یک ابرنواختر منفجر می‌شود و به یک سحابی پراکنده تبدیل می‌گردد، در اینصورت می‌دانید که زمان از سمت برابری و یکنواختی، به سمت هرج و مرج پیش رفته است.

 

نظریه دیگری نشان می‌دهد که گذشت زمان به دلیل گسترش جهان ما است. جهان همزمان با منبسط شدن، زمان را هم با خود می‌کشد؛ زیرا مکان و زمان به شکل یکپارچه به هم پیوند دارند. اما اگر این مطلب صحت داشته باشد، در اینصورت اگر جهان به یک حد نظری از انبساط برسد و سپس شروع به انقباض کند، زمان وارونه می‌شود که یک پارادوکس جزئی است.

آیا زمان واقعاً می‌تواند به عقب برگردد و همه چیز به عصر سادگی خود برگردد و با یک «فشردگی بزرگ» به پایان برسد؟ بعید به نظر می‌رسد که چنین چیزی را مشاهده کنیم، اما می‌توانیم در مورد آنچه فکر می‌کنیم ممکن است اتفاق بیفتد، فرضیه‌سازی کنیم.

 

شاید دانشمندان همه پاسخ‌ها را نداشته باشند، اما در طول سده گذشته در درک چگونگی کارکرد زمان، پیشرفت چشمگیری داشته‌اند. با گذار از ساعت‌های آفتابی باستانی به ساعت‌های اتمی مدرن، اکنون می‌توانیم گذر یک ثانیه را دقیق‌تر از همیشه ردیابی کنیم.

زمان همچنان یک موضوع پیچیده است، اما به لطف رؤیاپردازان علمی، ما همچنان به کشف رازهای این ثابت جهانی نه چندان ثابت، نزدیک و نزدیک‌تر می‌شویم.