چرا زمان به جلو می‌رود، نه به عقب؟

وقتی اسحاق نیوتن کتاب معروف خود با عنوان «اصول ریاضی فلسفه‌ی طبیعی» را در سال ۱۶۸۷ منتشر کرد، سه قانون برجسته‌ی حرکت او به کلید حل بسیاری از مسائل تبدیل شدند. بدون این قوانین بشر نمی‌توانست ۲۸۲ سال بعد انسان را روی ماه فرود بیاورد؛ اما این قوانین مسئله‌ی جدیدی را برای علم فیزیک به وجود آوردند که البته تا قرن‌ها پس از نیوتن توجهی به آن نشد و حتی امروز هم کیهان‌شناسان آن را سرزنش می‌کنند.

قوانین نیوتن دو برابر انتظار عملکرد خوبی داشتند. این قوانین دنیای حرکت‌های روزمره، دنیای افراد، عقربه‌های ساعت و حتی سقوط سیب را توصیف می‌کنند از طرفی برای دنیایی که در آن افراد به عقب گام برمی‌دارند، تیک زدن ساعت از بعد از ظهر تا صبح و بالا رفتن سیب از زمین تا شاخه‌ی درخت هم عملکرد خوب و بی‌نقصی دارند. شان کارول، فیزیک‌دان و فیلسوف نظری که درباره‌ی ماهیت زمان در جدیدترین کتاب خود به نام «بزرگ‌ترین ایده‌های جهان» بحث می‌کند، می‌نویسد:

ویژگی جذاب قوانین نیوتن این است که این قوانین تفکیکی بین گذشته و آینده قائل نیستند؛ اما جهت‌دهی به زمان، آشکارترین ویژگی آن است. من تصاویری از گذشته دارم و عکس‌هایی در آینده خواهم داشت که هنوز نگرفته‌ام.

به نقل از کارلو روولی از مرکز فیزیک تئوری مارسی فرانسه و مؤلف‌ کتاب‌هایی مثل «ترتیب زمان»:

مشکل تنها محدود به نظریه‌های چندصد‌ساله‌ی نیوتن نیست. تقریباً تمام نظریه‌های بنیادین فیزیک از زمان نیوتن به این سو، برای زمان رو به جلو و رو به عقب به یک اندازه خوب عمل کردند.

از نیوتن و سپس نظریه‌ی الکترومغناطیسی مکسول و سپس آثار اینشتین و سپس مکانیک کوانتوم، نظریه‌ی میدان کوانتومی، نسبیت عام و حتی گرانش کوانتومی هیچ تفکیکی بین گذشته و آینده وجود ندارد. همین عدم تفکیک دلیل شگفتی است زیرا تمایز گذشته و آینده برای همه آشکار است. برای مثال اگر فیلمی بسازید واضح است که دارای آینده و گذشته خواهد بود؛ اما چگونه جهت واضح زمان از توصیف‌هایی سرچشمه می‌گیرد که خود فاقد جهت‌گیری زمانی خود هستند؟ مارینا کورت، اخترفیزیک‌دان دانشگاه لیزبون می‌گوید:

مفاهیم زیادی وجود دارند که با یک پرسش جدی آغاز می‌شوند: چرا زمان می‌گذرد؟

زمان به شیوه‌ای شهود ما را به چالش می‌گیرد. در کوچک‌ترین مقیاس‌ها هیچ «آینده» یا «گذشته‌ی» معناداری وجود ندارد.

بخشی از پاسخ این پرسش را می‌توان در بیگ‌بنگ جستجو کرد که حدود ۱۴ میلیارد سال پیش رخ داد. دیدگاه دیگر دقیقاً در نقطه‌ی مقابل یعنی در پایان جهان وجود دارد؛ اما پیش از مرور سیر زمانی جهان، لازم است در سال ۱۸۶۵ توقف کنیم که اولین قانون جهت زمانی فیزیک، مسیرهای انقلاب صنعتی را تغییر داد.

جمع‌آوری بخار

در قرن نوزدهم یعنی زمانی که زغال سنگ برای تولید نیروی بخار به تنورها ریخته می‌شد، دانشمندان و مهندسان امیدوار بودند براساس مجموعه‌ای از اصول و روابط بین گرما، انرژی و حرکت، موتورهای بهتری را بسازند. این قوانین با عنوان ترمودینامیک شناخته می‌شوند.

در سال ۱۸۶۵، فیزیک‌دانی آلمانی به نام رودولف کلاوزیوس این نظریه را مطرح کرد که گرما نمی‌تواند از بدنه‌ای سرد به یک بدنه‌ی گرم منتقل شود. کلاوزیوس مفهومی به نام آنتروپی را برای اندازه‌گیری این رفتار گرمایی ارائه داد. وقتی می‌گوییم گرما هرگز از بدنه‌ی سرد به بدنه‌ی داغ منتقل نمی‌شود مانند این است که بگوییم «آنتروپی» برای همیشه در حال افزایش است و هرگز کاهش نمی‌یابد. به نقل از روولی در کتاب ترتیب زمان، مفهوم آنتروپی تنها قانون بنیادی فیزیک است که می‌تواند گذشته را از آینده تفکیک کند. یک توپ می‌تواند از تپه‌ای پایین برود یا دوباره به سمت قله پرتاب شود اما گرما نمی‌تواند از جسم سرد به جسم گرم منتقل شود. روولی برای نمایش این مفهوم، خودکار خود را برداشت و آن را از یک دست به دست دیگرش پرتاب کرد. او می‌گوید:

دلیل توقف خودکار در دست من، انرژی آن است و سپس این انرژی به گرما تبدیل شده و دست من را گرم می‌کند. اصطکاک هم مانع از نوسان آن می‌شود. در غیر این صورت اگر گرمایی وجود نداشت خودکار برای همیشه نوسان می‌کرد و من نمی‌توانستم گذشته را از آینده تشخیص دهم.

آنتروپی و افزایش بی‌نظمی

وقتی یک بسته کارت بازی می‌خرید، این کارت‌ها معمولاً به شکلی منظم از آس تا شاه کنار یکدیگر قرار دارند. وقتی برای اولین بار آن‌ها را به‌صورت تصادفی کنار هم قرار می‌دهید چه انتظاری دارید؟ احتمالاً بسته‌ی کارت‌ها ظاهری نامنظم به خود می‌گیرند. وقتی برای بار دوم آن‌ها را به هم بریزید به مجموعه‌ی تصادفی جدیدی می‌رسید.

یک روش برای درک آنتروپی درنظر گرفتن آن به‌عنوان مقیاس بی‌نظمی است. بسته‌ی کارت جدید آنتروپی پائینی دارد و هنگامی که آن‌ها را به صورت تصادفی به هم می‌ریزید آنتروپی یا تصادفی بودن ظاهری سیستم را افزایش می‌دهید. به‌طور مشابه، وقتی جسمی گرم می‌شود آنتروپی آن هم افزایش می‌یابد. در یک بلوک یخی، مولکول‌های آب در فاصله‌ی نزدیکی نسبت به یکدیگر به شکلی منظم قرار دارند. با گرم شدن یخ و تبدیل آن به حالت مایع، مولکول‌ها با آزادی بیشتری حرکت می‌کنند و به بی‌نظمی بیشتری می‌رسند. در حالت بخار مولکول‌های آب از این هم بی‌نظم‌تر هستند.

از طرفی وقتی گرما را در سطح مولکولی در نظر بگیرید همه‌چیز قدری پیچیده‌تر می‌شود. تفاوت بین اجسام داغ و اجسام سرد، حرکت مولکول‌های آن‌ها است. در یک موتور بخار داغ، مولکول‌های آب بسیار برانگیخته هستند به اطراف حرکت می‌کنند و با یکدیگر برخورد می‌کنند. همین مولکول‌های آب هنگام انباشته شدن به شکل قطره‌های روی شیشه‌ی پنجره، فعالیت کمتری دارند.

اما یک مشکل وجود دارد: وقتی بزرگ‌نمایی می‌کنید، یعنی در سطح مولکولی برخورد و نوسان مولکول‌ها را بررسی می‌کنید، جهت زمان ناپدید می‌شود. اگر به ویدئوی میکروسکوپی برخورد مولکول‌ها نگاه کنید و سپس آن را به عقب برگردانید به‌وضوح نمی‌توانید بگویید فیلم در حال حرکت رو به جلو است یا رو به عقب؛ بنابراین در کوچک‌ترین مقیاس، پدیده‌ای که تولید گرما می‌کند (برخورد مولکول‌ها) از نظر زمانی متقارن است. این یعنی جهت زمان از گذشته به آینده تنها زمانی ظاهر می‌شود که از دنیای میکروسکوپی یک قدم به عقب بروید و وارد دنیای ماکروسکوپی شوید. این ادعا برای اولین بار توسط لودویگ بولتزمان، فیزیک‌دان و فیلسوف اتریشی مطرح شد. به باور روولی:

جهت زمان از این حقیقت سرچشمه می‌گیرد که آن را از نگاه کردن به اجسام بزرگ استنباط کردیم نه دیدن جزئیات؛ بنابراین در جهان ماکروسکوپی و حداقل در اجسامی با بافت درشت‌تر می‌توان به جهت زمان پی برد. البته مسئله این نیست که جهان ذاتاً در فضا و زمان جهت گرفته است. بلکه وقتی به اطراف نگاه می‌کنیم جهتی را می‌بینیم که براساس آن اجسام روزمره‌ با اندازه‌ی متوسط دارای آنتروپی بیشتری هستند. این اجسام می‌توانند سیبی باشند که از درخت سقوط می‌کنند یا بسته‌ای درهم‌ریخته از کارت‌های بازی.

درحالی‌که به نظر می‌رسد آنتروپی به شکل انکار‌ناپذیری با جهت زمان گره خورده است، عجیب است که این قانون فیزیکی با وجود جهت‌گیری زمانی قوی، این جهت‌گیری را در بررسی اجسام کوچکتر از دست می‌دهد. روولی می‌گوید:

آنتروپی چیست؟ آنتروپی همان چیزی است که درباره‌ی فیزیک در مقیاس خرد و مولکول‌ها فراموش کردیم.

این پرسش که چرا زمان روبه جلو می‌رود ما را به منشأ‌ خود جهان هدایت می‌کند

آغاز یک پایان

اگر جهتی برای زمان وجود داشته باشد برای اولین بار از کجا آمده است. به باور کارول:

پاسخ به این پرسش را می‌توان در آغاز جهان جستجو کرد. دلیل این مسئله آنتروپی پائین بیگ‌بنگ است. هنوز با گذشت ۱۴ میلیارد سال ما در پس‌لرزه‌های سونامی بیگ‌بنگ شناوریم. به همین دلیل زمان برای ما دارای یک جهت است.

آنتروپی بسیار پائین جهان در زمان بیگ‌بنگ می‌تواند یک پاسخ و در عین حال پرسشی بزرگ باشد. کارول می‌افزاید:

حداقل چیزی که درباره‌ی ماهیت زمان یادگرفتیم این است که چرا بیگ‌بنگ آنتروپی پائینی داشت و چرا جهان آغازین این گونه بود. صادقانه معتقدم تعدادی از کیهان‌شناسان همکار من در این باره اشتباه می‌کنند. آن‌ها این مسئله را به اندازه‌ی کافی جدی نمی‌گیرند.

کارول در سال ۲۰۰۴ مقاله‌ای را با همکاری جنیفر چن منتشر کرد. هدف آن‌ها از این مقاله توضیح آنتروپی پائین جهان در فاصله‌ی نزدیکی از بیگ‌بنگ بود. کارول می‌نویسد:«در نظریه‌ی بیگ‌بنگ روزنه‌های زیادی وجود دارد و بسیاری از ابعاد آن به‌طور کامل توصیف نشده‌اند؛ اما تصور می‌کنم نظریه‌ی آنتروپی بهترین نظریه‌ی موجود باشد؛ زیرا تقلب نمی‌کند.» به عقیده‌ی کیهان‌شناسان دیگر هم زمان آن رسیده است که درباره‌ی منشأ‌ آنتروپی پائین جهان آغازین تحقیق شود.

جهان در شرایطی بسیار بعید و غیرقابل درک آغاز شد و به تدریج از آن شرایط دور شد

حتی اگر ندانیم چرا آنتروپی جهان آغازین به‌شدت پائین بود، گذشته‌ی آنتروپی جهان تنها منبع ما از جهت زمان است. جهت زمان هم مانند هر چیز دیگری دارای ابتدا و انتها است. لودویک بولتزمان، فیزیک‌دان اتریشی اولین شخصی بود که متوجه این مسئله شد. روولی درباره‌ی او می‌گوید:

بولتزمان تصور می‌کرد، آنتروپی جهان رو به افزایش است و زمانی به نقطه‌ی حداکثر خواهد رسید. در این نقطه گرما به‌صورت برابر در جهان توزیع می‌شود و دیگر از جایی به جای دیگر منتقل نخواهد شد.

درنتیجه انرژی به شکل سودمند برای انجام کارها دردسترس نخواهد بود یا به بیان دیگر تقریباً هیچ اتفاق جذابی در جهان رخ نخواهد داد. کیت ماک، اخترفیزیک‌دان این شرایط را این‌گونه توصیف می‌کند:«با ادامه‌ی این فرایند، همه چیز دچار فروپاشی می‌شود به‌طوری‌که تنها چیزی که باقی می‌ماند ضایعات گرمایی است. این سرنوشت با عنوان مرگ حرارتی جهان یا مرگ گرمایی شناخته می‌شود.» روولی درباره‌ی مرگ گرمایی می‌گوید:

در این موقعیت ستاره‌ها از سوختن بازمی‌ایستند و دیگر هیچ اتفاقی رخ نمی‌دهد و همه چیز به نوسان‌های حرارتی در مقیاس کوچک ختم می‌شود. در چنین شرایطی که البته از وقوع‌ آن اطمینان نداریم، آیا زمان جهتی خواهد داشت؟ البته که هیچ جهتی در کار نخواهد بود زیرا هر پدیده‌ای که زمانی به صورت یک‌طرفه رخ می‌داد در جهت دیگر هم رخ می‌دهد و هیچ تفکیکی بین دو جهت زمان وجود نخواهد داشت.

به‌سختی می‌توان از بین رفتن جهت زمان را تصور کرد. وقتی فکر می‌کنیم، در نورون‌های خود گرما تولید می‌کنیم. حتی فکر کردن هم فرآیندی است که در آن نورون نیاز به آنتروپی دارد. درک ما از گذر زمان هم درست همان‌ کاری است که آنتروپی با مغزمان انجام می‌دهد.

جهت زمان که برخاسته از آنتروپی است ما را به درک این مسئله نزدیک می‌کند که چرا زمان به جلو می‌رود؛ اما ممکن است زمان بیش از یک جهت داشته باشد. در واقع ممکن است مجموعه‌ای از جهت‌های زمانی وجود داشته باشند که از گذشته تا آینده امتداد دارند. برای درک این جهت‌ها باید از فیزیک وارد فلسفه شویم.

پاسخ برای این مسئله که چرا زمان به جلو می‌رود ریشه در آغاز جهان دارد.

جهان چگونه به پایان می‌رسد؟

مرگ گرمایی تنها راه پایان جهان نیست. گزینه‌های دیگری هم پیشنهاد شده‌اند که از میان آن‌ها می‌توان به جهش بزرگ و دیگر مدل‌های چرخه‌ای اشاره کرد؛ اما به باور شان کارول کیهان‌شناس، مرگ گرمایی یکی از مدل‌های پیشتاز است. او می‌گوید:

«مرگ گرمایی ساده‌ترین توضیح از دانسته‌هایمان است زیرا لازم نیست برای رسیدن به این نقطه سخت تلاش کرد. کل عملکرد جهان به مرگ گرمایی ختم می‌شود. دلیلی برای توقف این روند وجود ندارد.»

زمان انسانی

به عقیده‌ی جنان اسماعیل، استاد فلسفه‌ی دانشگاه کلمبیا، روش درک و شهود انسان از زمان را نباید جدی گرفت. اگر درباره‌ی تجربه‌ی خود از زمان فکر کنید، ممکن است خیلی زود تعدادی جهت روان‌شناختی را تشخیص دهید که بخش اصلی تجربه‌ی انسانی را شکل می‌دهند. به باور اسماعیل، یکی از این جهت‌ها «جریان» است. اسماعیل می‌افزاید:

اگر از دور به جهان نگاه کنید، جهان به شکل ایستا برای شما نمایش داده نمی‌شود. بلکه درست مانند فیلمی که از مجموعه‌ای فریم‌های ایستا در هر ثانیه تشکیل شده است، به صورت مستقیم شاهد تغییرات جهان خواهید بود.

به باور اسماعیل، تجربه‌ی جریان زمان، درون ادراک ما تعبیه شده است. بینایی مانند دوربین فیلم‌برداری عمل نمی‌کند. در واقع آنچه در مغز شما رخ می‌دهد، جمع‌آوری اطلاعات در چند بازه‌ی زمانی است؛ و سپس این اطلاعات در یک لحظه‌ی مشخص یکپارچه می‌شوند بنابراین آنچه می‌بینید درواقع نتیجه‌ی محاسباتی است که مغز انجام داده است؛ بنابراین نه‌تنها شاهد حرکت اجسام خواهید بود، بلکه می‌توانید سرعت حرکت و جهت‌ آن‌ها را هم ارزیابی کنید؛ بنابراین تمام مدت، مغز در حال یکپارچه‌سازی اطلاعات در بازه‌های زمانی مختلف و ارائه‌ی نتیجه به شما است. درنتیجه زمان را به این‌گونه می‌بینید.

ازآنجاکه جهت زمان دارای آغازی در ابتدای جهان است، می‌تواند با مرگ جهان هم به پایان برسد

ویژگی‌ دیگری هم برای زمان وجود دارد که اسماعیل آن را از جریان متمایز می‌سازد: «گذرگاه». ایده‌ی گذرگاه رابطه‌ی نزدیکی با تجربه‌های زمان‌محور مثل حافظه و پیش‌بینی دارد. برای مثال مراسم ازدواج را درنظر بگیرید که یکی از قابل‌ پیش‌بینی‌ترین رویدادهای زندگی است. تجربه‌ی ما از این لحظات لایه‌های متعددی دارد که از برنامه‌ریزی تا هیجان‌های طول روز و یادآوری‌هایی که تا سال‌ها با ما باقی می‌مانند متغیر است. یک جهت‌گیری برای اتفاق‌های مختلف وجود دارد: روش پیش‌بینی یک رویداد در آینده اساساً متفاوت با چیزی است که از گذشته به خاطر می‌آوریم.

ریشه‌ی جهت‌گیری زمان روانشناختی مانند درکی که از باز بودن آینده داریم احتمالاً به انقلاب صنعتی برمی‌گردد. کارول امیدوار است بتواند خصوصیات متعدد تجربه‌ی انسان از زمان را به آنتروپی وصل کند. اولین هدف کارول به علت و معلول وابسته است که یکی از عناصر جهت زمان است و باعث می‌شود علت‌ها پیش از آثارشان رخ دهند. می‌توان گفت که این پروژه یکی از مسئولیت‌های بزرگ تمام فیزیک‌دان‌ها و فیلسوفان است؛ و هنوز هم در سایه‌ی این تلاش‌ها این پرسش باقی می‌ماند که چرا آنتروپی در جهان آغازین بسیار پائین بود؟ به باور روولی:

می‌توانیم بفهمیم چرا چنین درکی از جریان داریم. می‌دانیم چرا گذشته برای ما به نظر ثابت می‌رسد و آینده برایمان باز است. می‌دانیم چرا پدیده‌های بی‌بازگشتی وجود دارند و می‌توانیم تمام این پدیده‌ها را به قانون دوم ترمودینامیک و ظهور آنتروپی نسبت دهیم.