فیزیکدانان «جهان کوچک» خلق کردند که در آن زمان به طور طبیعی از تغییرات درونی یک سیستم کوانتومی پدیدار می‌شود

تقریباً به مدت یک قرن، فیزیک مدرن توسط یک تناقض آشکار در قلب واقعیت تسخیر شده است: مسئله بنیادی زمان. در دنیای ماکروسکوپی که توسط نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین اداره می‌شود، زمان یک بُعد فیزیکی و پویا است که به طور فعال در اطراف اجرام پرجرم مانند ستارگان و سیاه‌چاله‌ها خم، کشیده و تابیده می‌شود. با این حال، در قلمرو میکروسکوپی مکانیک کوانتومی، زمان به عنوان یک مترونوم خارجی و سخت در نظر گرفته می‌شود—یک ساعت پس‌زمینه مطلق که مستقل از ذرات زیراتمی که بر آن‌ها حاکم است، در حال گذر است. این عدم تطابق اساسی در نحوه برخورد دو ستون فیزیک با زمان، مانع از آن شده است که دانشمندان بتوانند آن‌ها را در یک نظریه منسجم و واحد از گرانش کوانتومی ادغام کنند.[4]

اکنون، یک آزمایش آزمایشگاهی پیشگامانه، اولین شواهد فیزیکی کنترل‌شده را برای یک راه‌حل ریشه‌ای برای این پارادوکس ارائه کرده است. فیزیکدانان دانشگاه بیرمنگام (University of Birmingham) با ساختن یک «جهان کوچک» کاملاً مهر و موم شده از ۲۴,۰۰۰ اتم فوق‌سرد، با موفقیت نشان دادند که زمان در واقع برای وجود داشتن نیازی به یک ساعت خارجی ندارد. در عوض، محققان نشان دادند که زمان می‌تواند به طور طبیعی از بی‌نظمی درونی و درهم‌تنیدگی کوانتومی خود سیستم پدیدار شود و دیدگاهی عمیقاً جدید در مورد ساختار واقعیت ارائه دهد.[2]

این مطالعه که در مجله Physical Review Research منتشر شده است، یکی از عمیق‌ترین بحث‌های فلسفی در فیزیک نظری را از قلمرو ریاضیات محض به محیط ملموس آزمایشگاه منتقل می‌کند. این یافته‌ها نشان می‌دهند که زمان یک ویژگی بنیادی و ذاتی کیهان نیست که مستقل از ماده و انرژی وجود داشته باشد. بلکه، زمان یک خاصیت نوظهور (Emergent Property) است—یک توهم ماکروسکوپی که توسط روابط میکروسکوپی و متغیر بین بخش‌های مختلف یک سیستم کوانتومی پیچیده ایجاد می‌شود. این تحقیق با اثبات اینکه می‌توان توالی رویدادها را بدون یک نگهدارنده زمان خارجی مرتب کرد، عمیق‌ترین مفروضات ما در مورد جهان را به چالش می‌کشد.[1]

پروفسور جیووانی بارونتینی (Giovanni Barontini)، فیزیکدان تجربی که رهبری این تحقیق را در دانشگاه بیرمنگام بر عهده داشت، توضیح داد: «در برخی نظریه‌های جهان، به ویژه گرانش کوانتومی، زمان به عنوان یک ویژگی ذاتی ظاهر نمی‌شود. با این حال، در زندگی روزمره، زمان از گذشته به آینده جریان دارد. چرا اینطور است، در حالی که بیشتر قوانین اساسی فیزیک به طور یکسان در جهت جلو و عقب کار می‌کنند؟ این مطالعه اولین شواهد تجربی کنترل‌شده را ارائه می‌دهد که زمان می‌تواند با تغییرات درون یک سیستم تعریف شود، نه به عنوان ساعت خارجی در حال تیک‌تاک که ما آن را زمان می‌دانیم.»[2]

مبنای مفهومی این آزمایش فوق‌العاده به اواخر دهه ۱۹۶۰ بازمی‌گردد، زمانی که فیزیکدانان جان ویلر (John Wheeler) و برایس دویت (Bryce DeWitt) تلاش کردند قوانین مکانیک کوانتومی را به کل جهان اعمال کنند. معادله حاصله ویلر-دویت (Wheeler-DeWitt) با موفقیت حالت کوانتومی کیهان را توصیف کرد، اما حاوی یک حذف شگفت‌آور و بسیار بحث‌برانگیز بود: متغیر ریاضی زمان به سادگی ناپدید شده بود. بر اساس تفسیر دقیق ریاضیات آن‌ها، جهان در عمیق‌ترین و بنیادی‌ترین سطح خود، یک حالت کوانتومی واحد، ایستا و کاملاً بدون تغییر است.[4]

اگر جهان اساساً منجمد و بی‌زمان است، چرا انسان‌ها گذر بی‌امان و جهت‌دار زمان را تجربه می‌کنند؟ در سال ۱۹۸۳، فیزیکدانان نظری، دان پیج (Don Page) و ویلیام ووترز (William Wootters)، پاسخی زیبا، هرچند بسیار انتزاعی، برای این پارادوکس ارائه کردند. آن‌ها استدلال کردند که جهان تنها برای یک ناظر فرضی «شبیه خدا» که کاملاً خارج از آن ایستاده است، ایستا به نظر می‌رسد. برای ناظرانی که در داخل جهان به دام افتاده‌اند، زمان به طور طبیعی از طریق پدیده عجیب کوانتومی درهم‌تنیدگی پدیدار می‌شود. در این چارچوب، زمان نه رودی است که ما در آن شناوریم، بلکه محصول جانبی ارتباط فیزیکی ما با دنیای اطرافمان است.[3][4]

در سازوکار پیج-ووترز (Page-Wootters Mechanism)، یک بخش از یک سیستم کوانتومی درهم‌تنیده به عنوان یک ساعت عمل می‌کند، در حالی که بخش دیگر نسبت به آن تکامل می‌یابد. از آنجا که ما در داخل جهان هستیم و به طور ناگسستنی با ماده و انرژی آن درهم‌تنیده‌ایم، این تکامل نسبی درونی را به عنوان جریان پیوسته زمان درک می‌کنیم. با این حال، تا همین اواخر، آزمایش این سازوکار در یک سیستم پیچیده چندجسمی از نظر فناوری غیرممکن به نظر می‌رسید و این ایده را به جای فیزیک تجربی، به حاشیه فلسفه نظری سوق می‌داد. آزمایش‌های قبلی محدود به جفت‌های ساده‌ای از فوتون‌های درهم‌تنیده بودند که نمی‌توانستند پیچیدگی آشفته مورد نیاز برای شبیه‌سازی یک جهان واقعی را به تصویر بکشند.[3]

برای آوردن این نظریه به دنیای فیزیکی، تیم بارونتینی از چگالش بوز-اینشتین (Bose-Einstein Condensate) استفاده کرد—یک حالت عجیب ماده که زمانی تشکیل می‌شود که ابری از اتم‌های روبیدیوم (rubidium) تا چند میلیاردم درجه بالاتر از صفر مطلق سرد شود. در این دماهای بسیار پایین و منجمد، حرکت حرارتی عادی اتم‌ها اساساً متوقف می‌شود و کل ابر شروع به رفتار به عنوان یک شیء کوانتومی واحد و ماکروسکوپی می‌کند. این امر به محققان اجازه داد تا اتم‌ها را با دقتی بی‌سابقه دستکاری کنند و محیطی بکر و عاری از نویز حرارتی دنیای بیرون ایجاد نمایند.[2]

محققان این ابر ۲۴,۰۰۰ اتمی را کاملاً مهر و موم کردند و آن را از محیط بیرون جدا ساختند تا از هرگونه تداخل خارجی یا نشت اطلاعات جلوگیری شود. سپس آن‌ها از دو پرتو لیزر بسیار متمرکز با فرکانس‌های مختلف استفاده کردند تا یک مانع نوری نازک ایجاد کنند و عملاً جهان مینیاتوری خود را به دو نیمه مجزا تقسیم نمایند: یک بخش «روشن» مشاهده‌شده و یک بخش «تاریک» مشاهده‌نشده. این مرز به عنوان خط تقسیم حیاتی بین «ساعت» و بقیه جهان کوانتومی عمل کرد و زمینه را برای ظهور زمان از خلاء فراهم ساخت.[2]

این تقسیم‌بندی برای موفقیت آزمایش بسیار حیاتی بود. محققان با انتخاب مشاهده تنها بخش روشن و نادیده گرفتن عمدی بخش تاریک، عملاً خود را در موقعیت یک ناظر داخلی قرار دادند که در داخل سیستم درهم‌تنیده است. اتم‌ها مجاز بودند آزادانه از مانع لیزری عبور کنند و اطلاعات و انرژی را بین دو نیمه مبادله نمایند، اما کل سیستم کاملاً خودکفا باقی ماند. هیچ مترونوم خارجی برای ردیابی پیشرفت آزمایش استفاده نشد؛ محققان مجبور بودند برای درک توالی رویدادها کاملاً به دینامیک داخلی اتم‌ها تکیه کنند.[1][4]

همانطور که اتم‌ها بین مناطق روشن و تاریک جابه‌جا می‌شدند، محققان آنتروپی—معیار بی‌نظمی یا اطلاعات از دست رفته—را در بخش مشاهده‌شده ردیابی کردند. آن‌ها کشف کردند که توالی رویدادها در داخل جهان کوچک آن‌ها می‌تواند بدون ارجاع به ساعتی روی دیوار آزمایشگاه، به طور کامل مرتب و پیش‌بینی شود. «زمان آنتروپیک» داخلی کاملاً توسط تغییر بی‌نظمی اتم‌ها هدایت می‌شد و ثابت کرد که زمان را می‌توان صرفاً با روابط داخلی یک سیستم بسته اندازه‌گیری کرد.[1][2]

نکته جالب توجه این است که جریان این زمان نوظهور ثابت نبود و رفتاری بسیار متفاوت از تیک‌تاک سخت یک ساعت استاندارد داشت. هنگامی که پراکندگی ذرات در بخش روشن به سرعت افزایش می‌یافت، زمان داخلی جهان کوچک سرعت می‌گرفت و با افزایش بی‌نظمی به جلو می‌تاخت. هنگامی که تبادل اتم‌ها کند می‌شد، گذر زمان به درازا می‌کشید. و هنگامی که توزیع اتم‌ها به حالت تعادل کامل می‌رسید، جایی که آنتروپی از تغییر باز می‌ایستاد و سیستم تثبیت می‌شد، زمان عملاً به طور کامل متوقف می‌شد و جهان کوچک را به طور موقت ایستا می‌ساخت تا زمانی که تعادل اتمی دوباره تغییر کند.[2]

تیم حتی مانع لیزری را دستکاری کرد تا بخش روشن را مجبور به انبساط و انقباض مکرر کند. این حرکت پویا، چرخه کیهان‌شناختی «انفجار بزرگ» (Big Bang) و به دنبال آن «فروپاشی بزرگ» (Big Crunch) را شبیه‌سازی کرد—سناریویی فرضی که در آن انبساط جهان در نهایت معکوس شده و به درون خود فرو می‌ریزد. حتی در این محیط نوسانی و شدید، ساعت آنتروپیک به درستی توالی رویدادها را مرتب کرد و استحکام خود را به عنوان یک معیار معتبر برای زمان در یک فضای پویا ثابت نمود. این سیستم با موفقیت تاریخچه خود را بدون هیچ کمک خارجی بازسازی کرد.[2]

پیامدهای این نمایش موفقیت‌آمیز بسیار فراتر از رفتار اتم‌های فوق‌سرد روبیدیوم در یک محفظه خلاء است. تیم بیرمنگام با اثبات اینکه معادلات استاندارد مکانیک کوانتومی هنگام استفاده از یک زمان آنتروپیک تولید شده داخلی کاملاً معتبر باقی می‌مانند، ابزار قدرتمند جدیدی برای کیهان‌شناسی کوانتومی فراهم کرده است. محققان اکنون می‌توانند از تنظیمات مشابهی برای شبیه‌سازی و مطالعه فیزیک شدید جهان اولیه، فضای داخلی سیاه‌چاله‌ها و مکانیک تورم کیهانی بدون ترک آزمایشگاه استفاده کنند.[1][2]

علاوه بر این، این آزمایش وزن فیزیکی سنگینی به نظریه نسبی زمان (relational theory of time) می‌بخشد و شهودهای اساسی ما در مورد واقعیت را به چالش می‌کشد. این نظریه نشان می‌دهد که تجربه روزمره ما از گذشته، حال و آینده، سفری از طریق یک بُعد زمانی نامرئی و از پیش موجود که بر کیهان حاکم است، نیست. در عوض، این نتیجه ماکروسکوپی تعاملات کوانتومی میکروسکوپی بی‌شماری است—محصول جانبی درهم‌تنیدگی ما با جهانی که در آن زندگی می‌کنیم، که توسط افزایش بی‌امان آنتروپی هدایت می‌شود. ما زمان را تجربه می‌کنیم، صرفاً به این دلیل که بخشی از سیستمی هستیم که دائماً در حال تغییر است.[4]

اگرچه یک آزمایش رومیزی نمی‌تواند ماهیت نهایی واقعیت را در سراسر کیهان به طور قطعی اثبات کند، اما شکاف حیاتی بین نظریه ریاضی انتزاعی و فیزیک قابل مشاهده را پر می‌کند. فیزیکدانان با موفقیت در به دام انداختن یک حالت کوانتومی بی‌زمان و تماشای ظهور زمان از هرج و مرج درونی آن، گام بزرگی به سوی پاسخ نهایی به یکی از قدیمی‌ترین پرسش‌های بشر برداشته‌اند. به نظر می‌رسد زمان، بوم نامرئی نیست که جهان بر روی آن نقاشی شده باشد، بلکه پدیده‌ای است که توسط خود رنگ تولید می‌شود. همانطور که محققان به بررسی این سیستم‌های کوانتومی جدا شده ادامه می‌دهند، رویای یک نظریه واحد گرانش کوانتومی به واقعیت نزدیک‌تر می‌شود.[4]