پیکان زمان به کدام سو می رود

نگاهی به تفسیرهای متفاوت از بعد چهارم

چرا احساس می‌کنیم زمان می‌گذرد؟ زمان، بعد چهارمی است که تجربه می‌کنیم. برای توصیف یک رویداد به چهار مشخصه نیاز داریم: سه مشخصه برای توصیف جای آن در فضا و یک مشخصه برای تعیین زمان آن. همان‌طور که یک رهگذر گمنام با ماژیک روی دیوار نوشته بود: «زمان وسیله‌ای است که طبیعت با آن از اینکه همه چیز یک‌باره روی دهد، جلوگیری می‌کند». اما بعد زمان از یک نظر با سه بعد دیگر متفاوت است. به نظر می‌رسد زمان فقط به یک طرف (جلو) می‌رود، در حالی که در سه بعد دیگر، می‌توان از دو طرف رفت. پس درست‌تر آن است که بگوییم جهان ما «۳+۱» بعدی است. جهت پیکان زمان بدون استثنا از گذشته به سوی آینده است. این جهت زمانی همان افزایش آنتروپی (بی‌نظمی) است.

مفهوم آنتروپی را «ردولف کلاوسیوس» فیزیکدان و ریاضیدان آلمانی سده نوزدهم برای اندازه‌گیری میزان انرژی که به صورت گرما و اصطکاک تلف می‌شود، مطرح کرد. «کلاوسیوس» آنتروپی تولیدشده در فرآیندی گرمازا را به صورت انرژی تلف‌شده تقسیم بر دمایی که فرآیند در آن رخ می‌دهد، تعریف کرد. بنابر قانون دوم ترمودینامیک، آنتروپی تولیدشده با ادامه یافتن فرآیند گرمازا، پیوسته افزایش می‌یابد. انرژی اتلافی، هرگز قابل بازگشت نیست.

«لودویگ بولتزمن» فیزیکدان اتریشی یکی از بزرگ‌ترین نظریه‌پردازان اصول کلاسیک ترمودینامیک، معنای تازه‌ای به مفهوم آنتروپی بخشید و پیوندی میان آنتروپی و نظم ایجاد کرد. اجازه بدهید به مثالی از مفهوم نظم از دیدگاه «بولتزمن» بپردازیم که به مسایل روزمره‌مان نزدیک‌تر است. فرض کنید کیسه‌ای پر از دو نوع ماسه یافته‌ایم، نیمی ‌سیاه و نیمی سفید. به صورتی که ماسه‌های سفید، بالای ماسه‌های سیاه قرار گرفته‌اند. این وضعیت بیشترین نظم ممکن را دارد. تنها یک حالت برایش قابل تصور است. سپس کیسه را تکان می‌دهیم تا دانه‌های ماسه مخلوط شوند. با مخلوط شدن هرچه بیشتر دانه‌های سفید و سیاه، تعداد حالت‌های ممکن افزایش می‌یابد و همراه با آن، میزان بی‌نظمی نیز بیشتر می‌شود تا جایی که به مخلوطی یکدست با رنگ خاکستری می‌رسیم که حداکثر بی‌نظمی است. «بولتزمن» به این نتیجه رسید که جهت حرکت، از نظم به بی‌نظمی و از نامحتمل به سوی محتمل است. او با نسبت دادن آنتروپی و بی‌نظمی به تعداد حالت‌ها، تعریفی از آنتروپی بر مبنای احتمالات ارایه کرد. در مثال ذکرشده، وضعیت اول که ماسه‌های سفید بالای ماسه‌های سیاه قرار داشتند، حالتی کم‌احتمال است. با تکان دادن کیسه، احتمال مخلوط شدن بیشتر دانه‌های سیاه و سفید بیشتر است، ولی احتمال حالت منظم اول کمتر است. حال به مثالی دیگر توجه کنید.

اگر از حادثه افتادن فنجانی از روی میز و شکسته شدن آن فیلمبرداری کنیم و فیلم را در حالی‌که به عقب برگردانده می‌شود نمایش دهیم، مشاهده می‌کنیم که تکه‌های شکسته‌شده فنجان جمع شده و با یک پرش روی میز بازگشته و فنجان سالمی را پدید می‌آورند. از آنجا که چنین واقعه‌ای هرگز در زندگی روزمره مشاهده نشده است برای ما غیرطبیعی به نظر می‌رسد. چرا؟ شاید قانون دوم ترمودینامیک پاسخ این پرسش را ارایه کند. همان‌طور که توضیح داده شد، آنتروپی یا بی‌نظمی‌، با گذشت زمان همواره افزایش می‌یابد. فنجان سالم روی میز نماینده درجه بالایی از نظم است و فنجان شکسته روی زمین در حالت بی‌نظمی به سر می‌برد. جهت رویداد از گذشته، یعنی فنجان سالم روی میز، به سمت آینده، یعنی فنجان شکسته روی زمین است اما عکس این رویداد ممکن نیست. دست کم سه پیکان زمان وجود دارد؛ نخست پیکان ترمودینامیکی زمان است که در مثال قبل توضیح داده شد. یعنی بی‌نظمی یا آنتروپی در جهت ترمودینامیکی زمان افزایش می‌یابد.

دیگری پیکان روان‌شناختی زمان است. در جهت پیکان روان‌شناختی زمان، احساس می‌کنیم که زمان می‌گذرد و گذشته را به خاطر می‌آوریم. ولی چیزی از آینده در ذهن‌مان یافت نمی‌شود. صحبت درباره حافظه بشر، قدری دشوار است، اما از چگونگی کارکرد حافظه کامپیوترها اطلاع داریم. پیش از آنکه مطلبی در حافظه کامپیوتر ضبط شود، حافظه حالتی نظم‌نایافته دارد. به هنگام ضبط مطلبی در حافظه کامپیوتر، صرف مقدار معینی انرژی، ضروری است. این انرژی به صورت حرارت درمی‌آید. این حرارت به وسیله فن کامپیوتر بیرون فرستاده می‌شود. بنابراین بی‌نظمی در جهان را افزایش می‌دهد؛ به این معنا که هنگام ضبط مطلبی در حافظه کامپیوتر (به نظم درآمدن حافظه) مقدار کل بی‌نظمی کامپیوتر و محیط افزایش می‌یابد. کامپیوتر در همان جهت زمانی، گذشته را به خاطر می‌آورد که بی‌نظمی افزایش یافته بود.

پس احساس ذهنی ما از جهت زمان یا پیکان روان‌شناختی زمان، درون مغزمان و به وسیله پیکان ترمودینامیکی زمان تعیین می‌شود. ما نیز درست مثل کامپیوتر، رویدادها را به همان ترتیبی به یاد می‌آوریم که آنتروپی افزایش می‌یابد. این امر قانون دوم ترمودینامیک را تقریبا بدیهی می‌کند. بی‌نظمی با گذشت زمان افزایش می‌یابد زیرا ما زمان را در همان جهتی اندازه می‌گیریم که بی‌نظمی افزایش می‌یابد. این امر همسویی پیکان ترمودینامیکی و روان‌شناختی زمان را نشان می‌دهد.

و سرانجام نوبت پیکان کیهان‌شناختی زمان است. در این جهت زمانی، جهان به جای انقباض، گسترش می‌یابد. آغاز زمان نقطه‌ای هموار و قاعده‌‌مند از فضا-زمان است و جهان با حالتی بسیار هموار و نظم‌یافته شروع به گسترش کرده است. جهان در آن هنگام نمی‌توانسته یکسره یکنواخت باشد زیرا این امر نقض اصل عدم قطعیت نظریه کوانتوم محسوب می‌شود. این اصل می‌گوید: تغییرات و افت‌وخیزهایی در چگالی و سرعت ذرات باید وجود داشته باشد. با این حال، شرط بی‌کرانگی، متضمن آن است که این افت‌وخیزها تا حد امکان و تا جایی که با اصل عدم قطعیت سازگار باشد، کوچکند.

جهان با دوره‌ای از گسترش تورمی آغاز شده و اندازه‌اش بسیار بزرگ شد. طی این گسترش، افت‌وخیزهای چگالی، در آغاز کوچک باقی ماندند، اما بعد، شروع به رشد کردند. در مناطقی که چگالی اندکی بیش از مقدار میانگین بود، جاذبه گرانشی ماده اضافی، از سرعت گسترش کاست. سرانجام چنین مناطقی از گسترش بازماندند و فروپاشیدند تا کهکشان‌ها، ستارگان و موجوداتی مثل ما را به‌وجود آورند. جهان از حالتی هموار و نظم‌یافته آغاز شده است و با گذشت زمان متلاطم و بی‌نظم می‌شود؛ به این معنا که پیکان کیهان‌شناختی با پیکان ترمودینامیکی زمان، همسو است.

انسان‌ها برای بقا ناگزیر از مصرف غذا و تبدیل آن به حرارتند. غذا، شکل نظم‌یافته‌ای از انرژی است و گرما شکلی است نظم‌نایافته از آن، بنابراین حیات هوشمند در مرحله انقباضی جهان نمی‌تواند وجود داشته باشد. این امر توضیح می‌دهد که چرا ما شاهد همسویی پیکان‌های ترمودینامیکی و کیهان‌شناسی هستیم. گسترش جهان موجب بی‌نظمی نمی‌شود، بلکه شرط بی‌کرانگی باعث افزایش بی‌نظمی شده است و شرایط مساعد برای زندگی هوشمند تنها در مرحله انبساطی فراهم است. در مجموع می‌بینیم که سه پیکان ترمودینامیکی، روان‌شناختی و کیهان‌شناختی زمان در یک جهت نشانه رفته‌اند. موجودات هوشمند مثل ما، در مرحله انبساطی جهان (پیکان کیهان‌شناختی زمان)، تکامل یافته و زندگی می‌کنند و رویدادها را در جهت افزایش بی‌نظمی (پیکان ترمودینامیکی زمان) در مغزمان ثبت می‌کنند (پیکان روان‌شناختی زمان). به همین خاطر است که احساس می‌کنیم زمان می‌گذرد.

سیدامین مهناپور

عضو هیات ‌علمی گروه مکانیک

دانشگاه آزاد اسلامی شوشتر