آیا حق با شان کرول است؟!- قسمت اوّل

توضیحات تکمیلی نوبل فیزیک سال ۲۰۲۱
۱۷ آذر ۱۴۰۰

«آنتروپی، پیکان ترمودینامیکی زمان و مسئله‌ی گذر زمان»

 

 

قوانین بنیادین فیزیک از منظر زمانی متقارن هستند، به عبارت دیگر تحولات یکانی و بازگشت‌­پذیری را پیش­‌بینی می­‌کنند۱؛ امّا در فیزیک دنیای درشت مقیاس ماجرا متفاوت است: مطابق قانون دوم ترمودینامیک، اگر آنتروپی یک سیستم بسته افزایش یافت دیگر نمی­‌تواند کاهش یابد! حال سؤال اینجاست که این عدم تقارن زمانی از کجا سر و کله‌اش پیدا شده و چطور می­‌توان آن را بر قوانین متقارن نیوتن و مکانیک آماری استوار کرد؟ این معمّای بسیار جالب «مسئله‌ی پیکان ترمودینامیکی زمان» نام دارد. رویکردهای مختلفی در پاسخ به آن در پیش گرفته شده است. برای مثال برخی اینگونه استدلال کرده­‌اند که اصولاً قانون دوم ترمودینامیک، به معنایی که انتظار داریم قانون طبیعت نیست، بلکه صرفاً نوعی قانون احتمالاتی است و ردّپایی است از شرایط اولیه سیستم.

متأسفانه یا خوشبختانه، موضوع این نوشتار پرداختن به «مسئله‌ی پیکان ترمودینامیکی زمان» نیست۲! بلکه می­‌خواهیم به نتیجه فلسفی عجیبی که برخی از دانشمندان، مانند شان کرول، از آن گرفته­‌اند بپردازیم: کرول معتقد است که اصولاً «گذر زمان» چیزی نیست جز افزایش آنتروپی، و اگر آنتروپی افزایش نیابد زمان هم نمی‌گذرد! در ادامه نگاهی انتقادی خواهیم داشت به این ادعا:

۱- اوّلین و واضح­‌ترین اشکال این نتیجه‌گیری، نداشتن پشتوانه منطقی است. قوانین فیزیک برای آن تدوین شده‌اند که به ما نشان دهند با گذر زمان طبیعت چگونه تغییر خواهد کرد، نه اینکه به ما نشان دهند که «گذر زمان وجود دارد یا خیر؟» و یا اینکه «گذر زمان در چه جهتی است؟»؛ بنابراین تقارن زمانی آنها به هیچ‌وجه ناامیدمان نخواهد کرد! ما گذر زمان را، فارغ از اینکه فیزیک‌دان هستیم یا خیر، به روشنی هم در دنیای ذهن و هم در دنیای خارج ادراک می­‌کنیم. برای مثال، ما هر روز با تلسکوپ­‌هایی چون هابل و پلانک، تقریباً از تمامی لحظات گذشته کیهان در عمر ۱۳.۷ میلیاردساله­‌ی آن، پرتوهایی را دریافت می­‌کنیم و تعداد داده­‌های دریافتی لحظه به لحظه بیشتر می­‌شود. امّا تاکنون حتی یک تک فوتون هم از زمان­‌های آینده دریافت نکرده­‌ایم! حال سؤال اساسی اینجاست که این عدم تقارن واضح بین گذشته و آینده و این شهود روشنمان از گذر زمان، چه ارتباطی دارد به اینکه «آنتروپی یک سیستم بسته نمی­‌تواند کاهش یابد»؟ البته تلاش­هایی برای ارتباط برقرار کردن بین «افزایش آنتروپی» و «برخی از عدم­‌ تقارن­‌های مختلفی که بین گذشته و آینده می­‌بینیم»، انجام شده و در مواردی نیز موفق بوده است. امّا حتی اگر بتوانیم در تمامی موارد چنین ارتباطی را بیابیم(که البته فرض بسیار بعید و دور از ذهنی است)، این حداکثر به معنای سازگاری ادعای مورد بحث خواهد بود و نه اثبات آن. هرچند در ادامه استدلال خواهیم کرد که این ادعا حتی سازگار هم نیست.

۲- به این دو عبارت دقت کنید: الف)«هرچه در عمق بیشتری از استخر فرو برویم فشار آب بیشتری را حس می­‌کنیم.» ب)«هرچه در عمق بیشتری از استخر فرو برویم فاصله ما از سطح آب بیشتر می­‌شود.» آیا جمله دوم معنادار و حاوی اطلاعات جدید است؟

به طور مشابه، اگر ادعای کرول را بپذیریم قانون دوم ترمودینامیک تا حد زیادی بی­‌معنا می­‌شود. طبق این قانون «آنتروپی یک سیستم بسته با گذر زمان (در جهت آینده) کاهش نمی­‌یابد». روشن است که این قانون “گذر زمان” و “جهت آینده” را به عنوان مفاهیمی مستقل پیش‌فرض گرفته و “خبر جدیدی” درباره میزان آنتروپی در زمان آینده می­‌دهد. به عبارت دیگر، محتوای این قانون توضیح واضحات نیست و در واقع یک پیش­‌بینی قابل ابطال ارائه می­‌کند. امّا اگر بگوییم «جهت آینده چیزی نیست جز همان جهت افزایش آنتروپی»، دیگر قانون دوم ترمودینامیک حرف جدیدی برای گفتن ندارد و قابل ابطال نیست. چرا که حتی اگر میزان آنتروپی در طول تاریخ کیهان مدام به صورت سینوسی کم و زیاد شود باز هم قانون دوم نقض نمی­‌شود، زیرا در این صورت “جهت زمان آینده” نیز شکل سینوسی خواهد داشت تا با “جهت افزایش آنتروپی” هماهنگ باشد؛ چرا که طبق تعریف، جهت آینده همان جهت افزایش آنتروپی است!

 

 

۳– آیا صادق بودن عبارت «الف» که در بالا بیان شد، به این معناست که «عمق» همان «فشار» است و هیچ معنای مستقلی ندارد؟! آیا می­‌توان نتیجه گرفت که دلیل اینکه ما در عمق بیشتری از استخر فرو می­‌رویم این است که فشار در حال افزایش است؟ همراه بودن دو پدیده هرگز به معنای یکی بودن و یا حتی ارتباط علّی بین آن دو نیست. بنابراین، حتی اگر این فرض درست باشد که «هر جا گذر زمان وجود دارد افزایش آنتروپی هم هست»، هرگز نمی­‌توان نتیجه گرفت که این دو یکی هستند و یا یکی علّت دیگری است. البته خواهیم گفت که اصولاً چنین فرضی درست نیست، پس به طریق اولی چنین نتیجه­‌ای را هم نمی­‌توان گرفت.

۴- یکی از شروط اولیه پذیرش این ادعا که: «آنچه که ما تحت عنوان “جهت آینده” می­‌شناسیم، در واقع چیزی نیست جز “جهت افزایش آنتروپی”» این است که جهت افزایش آنتروپی “همواره” و “همه‌جا” در راستای جهت آینده باشد. امّا هرکس که اندکی با علم ترمودینامیک آشنا باشد به روشنی می­‌داند که این فرض برقرار نیست. قانون دوم ترمودینامیک از “آنتروپی کل” سیستم بسته حرف می‌­زند، امّا در نقاط مختلف سیستم، آنتروپی می­‌تواند به صورت موضعی کم شود. برای مثال، همانطور که کرول هم اشاره می­‌کند، در داخل محفظه یخچال­ آنتروپی کاهش می­‌یابد و در عوض در بیرون آن افزایش می‌یابد. پس آیا جهت آینده در داخل یخچال با بیرون آن متفاوت است؟! آیا اگر مورچه­‌ای را درون یخچال قرار دهیم(به غیر از اینکه سردش می‌شود!) تجربه متفاوتی از زندگی و جریان زمان خواهد داشت؟ آیا وقتی آن را بیرون بیاوریم جوان­‌تر شده­‌است؟ اگر یک پرتو الکترومغناطیس را از یخچال عبور دهیم، آیا وقتی در داخل یخچال است جهت انتشار جبهه موج آن بر خلاف وقتی است که خارج از یخچال است؟ از منظر نظریه نسبیت، ساعت‌ها در درون یخچال حتّی کندتر هم حرکت نخواهند کرد چه رسد به اینکه به صورت پادساعت‌گرد بچرخند.

کاهش آنتروپی منحصر به درون یخچال نیست، بلکه در جای­جای کیهان آشفته می­‌تواند به صورت موضعی روی دهد. امّا آیا جهت آینده توزیعی آشفته و وابسته به مکان دارد؟ جالب­‌تر اینکه کاهش آنتروپی حتی به صورت سرتاسری نیز روی می­‌دهد: برای مثال، در برخی از دوره­‌های تاریخ کیهان، مثل دوره تورّمی و بخشی از دوره تابش غالب، چگالی آنتروپی کیهان کاهش پیدا می­‌کند؛ امّا زمان در این دوره‌ها در همان­‌جهتی جریان یافته است که اکنون جریان دارد. بنابراین «جهت گذر زمان» و «جهت افزایش آنتروپی»  با یکدیگر تطابق کاملی ندارند و نمی­‌توان آن­‌ها را یکی دانست.

 

حال ممکن است گفته شود: جهت زمان را آنتروپی موضعی و یا چگالی آنتروپی تعیین نمی­‌کند، بلکه مقدار کل آنتروپی کیهان تعیین­‌کننده آن است که آن هم طبق قانون دوم همواره در حال افزایش است. امّا اینکه مورچه ما در درون یخچال به صورت آنی از تغییرات آنتروپی کل کیهان با خبر باشد(!) و جهت زمان را مطابق با آن ادراک کند؛ علاوه بر اینکه منجر به متافیزیک عجیبی خواهد شد با نظریه نسبیت نیز در تعارض است؛ چرا که در این نظریه تعیین یک دستگاه مرجع جهانی و همچنین ارسال سیگنال فوق نوری ممکن نیست.

۵- نکته اساسی که به نظر می­‌رسد در نتیجه­‌گیری کرول از آن غفلت شده این است که «تقارن یا عدم تقارن زمانی» یک چیز است و «گذر زمان و جهت آینده» چیزی دیگر. گذر زمان همان‌چیزی است که باعث تعاقب و جانشینی پی­‌در­پی لحظات جدید با لحظات گذشته می­‌شود و هیچ جسم طبیعی نمی­‌تواند از این جریان اجباری زمان فرار کند. بنابراین «گذر زمان» در یک جهان کاملاً متقارن با فرآیندهایی برگشت­‌پذیر، حتی ذره­‌ای از مفهوم خود را از دست نمی­‌دهد. از سوی دیگر، اگر فرض کنیم تمام قوانین بنیادین فیزیک هم از منظر زمانی نامتقارن بودند، باز هم فردی می­‌توانست مانند کرول ادعا کند که «جهت آینده» ماهیت مستقلی ندارد، بلکه تنها نمودی از همین قوانین نامتقارن فیزیک است. بنابراین باید بین دو مفهوم «عدم تقارن زمانی» و «گذر زمان» تمایز جدی قائل شد.

۶- از سوی دیگر باید توجّه کرد که مفهوم «آنتروپی و افزایش آن» چنان که در ترمودینامیک و مکانیک آماری می­‌شناسیم، و مفهوم «زمان و گذر آن» کاملاً متفاوتند. آیا گرادیان مکانی آنتروپی (یعنی افزایش آن در یک راستای مکانی) باعث نوعی «گذر و جریان مکان» می­‌شود تا بتوان ادعا کرد که گرادیان زمانی آن «گذر زمان» را پدید می­‌آورد؟ بنابراین تفاوت بنیادین بُعد زمان و مکان را باید در جای دیگری جستجو کرد.

در مجموع به نظر می­‌رسد که انکار «گذر زمان» با توسّل به «مسئله‌ی پیکان ترمودینامیکی زمان» هنوز خام­‌تر از آن باشد که به عنوان یک دیدگاه علمی بتوان آن را جدی گرفت. کرول، به وسیله انکار «گذر زمان» به عنوان یک حقیقت اساسی، «قانون علّیت» را هم به عنوان یک اصل بنیادین زیر سؤال می‌برد. در مقاله بعدی به این موضوع خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید…

 

برای مطالعه‌ی بیشتر در این باره، برای مثال می­‌توانید به کتاب­‌های زیر مراجعه کنید:

 Tim Maudlin, The Metaphysics Within Physics (2007), Oxford University Press

  Barry Dainton, Space and Time (2010), McGill-Queen’s University Press

 Craig Callender, “Thermodynamic Asymmetry in Time“, The Stanford Encyclopedia of Philosophy, URL

 

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

۱- البته مثال‌­های نقضی نیز وجود دارند، برای مثال در رمبش تابع موج مطابق برخی از تعابیر مکانیک کوانتومی و یا در آزمایش‌­های مربوط به واپاشی مزون K .

۲- برای یک مرور جامع درباره این موضوع، می توانید به مدخل Thermodynamic Asymmetry in Time دانشنامه استنفورد که آدرس آن در انتهای مقاله آمده است مراجعه کنید.

 

 

اگر نظر یا پیشنهادی درمورد این متن دارید می‌توانید کمی پایین‌تر، در قسمت دیدگاه‌ها، آن را برای ما بنویسید.

 

 

0 0 رای ها
امتیاز این نوشته
حامد منوچهری کوشا
حامد منوچهری کوشا
دانشجوی دکتری فیزیک شریف ورودی ۹۶
اشتراک در
اطلاع از
guest
0 دیدگاه‌ها
بازخورد (Feedback) های اینلاین
View all comments