اسرار ابَرزمان

شايد تصورش سخت باشد اما دانشمنداني هستند که مي گويند زمان همين خط مستقيمي نيست که تصورش مي کنيم
 

تصور ما نسبت به زمان طي زمان تغيير بسياري کرده است. تا همين صد سال پيش بود که همگي فکر مي کرديم ثانيه ها به شکلي کاملاً قابل پيش بيني، يکي پس از ديگري پشت سر هم در حال گذر هستند؛ تيک، تاک، تيک، تاک ... اما در همان هنگام بود که سر و کله اينشتين پيدا شد و همه چيز ناگهان تغيير کرد، چرا که نظريات نسبيت اينشتين، تمامي تصورات پيش پا افتاده ما نسبت به زمان را بر باد داد. به عنوان مثال، نسبيت نشان داد چنان چه سوار يک موشک شده و با سرعتي نزديک به سرعت نور شروع به سفر کنيم، زمان براي ما تقريباً متوقف خواهد شد.
همين طور اگر در نزديکي يک سياه چاله توقف کنيم باز هم شاهد توقف زمان خواهيم بود. از اين عجيب تر آن که فضا – زمان در درون سياه چاله هاي چرخان آن چنان انحنا پيدا مي کند که فضا و زمان، نقش خود را با همديگر عوض کرده و هر يک به ديگري تبديل خواهد شد! اما در حالي که ما تازه داشتيم به اين رفتارها و ويژگي هاي عجيب و غريب زمان عادت مي کرديم، دوباره چند فيزيکدان جسور ديگر پيدا شدند که با نظريات بديع خود درباره زمان مجدداً ما را غرق در حيرت کردند. اين فيزيکدانان معقتدند که برخلاف تصور متعارف موجود، زمان پديده اي يک بعدي نبوده بلکه دو بعدي است. اگر حق با اين فيزيکدان ها باشد بايد گفت که يکي از اين دو بعد، در تمامي طول تاريخ انديشه بشري از نگاه انسان پنهان مانده بوده است. البته فيزيکدان ها پيش از اين نيز با مفهوم ابعاد بالاتر سر و کار داشته اند اما اين ابعاد اضافي همواره ابعاد مکاني بوده اند و نه زماني. به عنوان مثال طي قرن هاي متمادي تصور ما اين بود که در يک جهان سه بعدي زندگي مي کنيم، جهاني با سه بعد مکاني طول، عرض و ارتفاع. اما از اوايل قرن بيستم ميلادي اين تصور شروع به تغيير کرد.
در دهه 1920 بود که فيزيکدان ها دريافتند که با چهار بعدي در نظر گرفتن فضا – به جاي سه بعد متداولي که در ظاهر تصور مي کنيم – مي توان نظريه اي واحد ارائه کرد که رفتار نيروهاي بنيادين شناخته شده در فيزيک آن دوران – يعني نيروهاي الکترومغناطيس و گرانش – را در قالب رياضي واحدي توضيح دهد. اين کار تا حدي شبيه آن است که از تپه مجاور ميدان جنگ بالا رفته و از ارتفاع (يعني از بعد بالاتر)، صحنه جنگ را نظاره کنيم. تنها در اين صورت است که به ارتباط پنهان موجود مابين بخش هاي مختلف عمليات پي برده و درخواهيم يافت که چگونه نيروهاي به ظاهر مختلف درگير در صحنه جنگ، همگي به صورتي واحد و منسجم عمل مي کنند. هرچند از آن زمان تاکنون دو نيروي بنيادين ديگر (يعني نيروهاي هسته اي قوي و ضعيف) هم به نيروهاي بنيادين شناخته شده جهان افزوده شدند اما فيزيکدان ها هم بيکار ننشسته و تلاش خود را براي کشف نظريه اي که بتواند رفتار تمامي اين نيروها را در قالب رياضي واحدي تبيين کند ادامه دادند. آن ها سرانجام در حدود دهه 1980 به نسخه هاي اوليه اي از اين نظريه واحد دست يافتند. اين نظريه که اصطلاحاً «نظريه ريسمان ها» نام گرفت معتقد است که ذرات بنيادي در واقع چيزي جز ريسمان هاي بسيار کوچک و يک بعدي مرتعش انرژي نيستند.
براساس نشريه ريسمان ها، کائنات بايد 9 بعد مکاني و همچنان يک بعد زماني داشته باشد. حدود يک دهه بعد نظريه پردازان کشف کردند که تمامي نسخه هاي متفاوت نظريه ريسمان ها در واقع وجوه متفاوتي از يک نظريه جامع تر به نام «نظريه M» هستند که در آن، باز هم يک بعد مکاني جديد به کائنات افزوده مي شود و بعد اين ترتيب، مجموع ابعاد کائنات را به عدد 11 مي رساند که از اين ميان، ده بعد آن مکاني و فقط يک بعد آن زماني خواهد بود.

زمان مضاعف
 

همان طور که ديديد طي زمان، همواره ابعاد مکاني بالاتري به معادلات فيزيکدان ها افزوده شده اند اما درباره زمان، داستان کاملاً متفاوت است چرا که از همان آغاز تاکنون، زمان در معادلات فيزيکدان ها همچنان يک بعدي باقي مانده است. در واقع در تمامي طول تاريخ علم، تصور فيزيکدان ها آن بوده که تمامي مسائلشان با همين زمان يک بعدي قابل حل است اما احتمالاً همگي آن ها در اشتباه بوده اند. اکنون پس از قرن ها بالاخره سر و کله چند فيزيکدان پرشهامت پيدا شده که معتقدند با افزودن يک بعد زماني جديد به معادلات توصيف کننده کائنات مي توان بسياري از مسائل لاينحل موجود در فيزيک امروز را حل کرد. نظريات مرتبط با ابعاد مکاني جديد همواره دستاوردهاي ارزشمندي براي فيزيکدان ها به ارمغان آورده اند اما ببينيم چرا با اين حال فقط تعداد اندکي از فيزيکدان ها جرأت مطرح کردن چنين نظرياتي را در ارتباط با زمان دارند؟ در واقع دو دليل مهم وجود دارد که فيزيکدان ها را از فرض وجود ابعاد زماني جديد نگران مي کند؛ اول آن که ابعاد زماني همواره به جاي علامت مثبت، با علامت منفي در معادلات ظاهر مي شوند. بنابراين براساس فيزيک کوانتومي، در نظر گرفتن يک بعد زماني جديد منجر به رويدادهايي با احتمال وقوع منفي خواهد شد و چنين چيزي اساساً بي معناست.
اما دليل دوم که حتي از دليل اول هم نگران کننده تر است آن است که پذيرش وجود بعد زماني جديد به معناي چراغ سبزي در برابر ايده سفر در زمان خواهد بود. اگر زمان همانند يک خط راست يک بعدي باشد در اين صورت هر لحظه زماني روي اين خط، يا قبل از يک لحظه مفروض ديگر قرار مي گيرد يا بعد از آن. به اين ترتيب، آينده و گذشته و مسيري که گذشته را به حال و آينده متصل مي کند کاملاً مشخص و تعريف شده خواهند بود و هر مجموعه اي از رويدادها الزاماً توالي مشخصي خواهند داشت اما با افزودن يک بعد زماني جديد، خط زمان تبديل به صفحه زمان خواهد شد و مشخص نيست که در چنين جهاني چگونه مي توان آينده و گذشته را مشخص کرد؟ مسير اتصال گذشته به آينده روي چنين صفحه اي حتي مي تواند همانند يک حلقه باشد و به اين ترتيب شما در چنين جهاني امکان رفت و آمد در زمان را نيز خواهيد داشت (تصوير 1 را مشاهده کنيد.) اما چنين امکاني، وقوع بسياري از پديده هاي غيرممکن و نامعقول را ممکن خواهد کرد. يکي از اين پديده هاي نامعقول اصطلاحاً «تناقض نماي پدربزرگ» ناميده مي شود که براساس آن، شخص با سفر در زمان، به گذشته رفته و از ازدواج پدربزرگ و مادربزرگ خود و نتيجتاً متولد شدن خود جلوگيري مي کند! همه اين موارد عجيب و غريب سبب شده که فيزيکدان ها از طرح ايده دو بعدي بودن زمان پرهيز کنند.

نظريه F
 

اما بعضي فيزيکدان ها از مطرح کردن ايده هاي بديع ترسي به خود راه نمي دهند. يکي از اين فيزيکدان هاي جسور کسي نيست جز کامران وفا فيزيکدان برجسته ايراني دانشگاه هاروارد. کاري که وفا کرد اين بود که با افزودن يک بعد جديد به نظريه M، نظريه اي به نام نظريه F را ارائه داد که براساس آن، ابعاد کائنات از 11 به 13 بعد افزايش پيدا مي کند. اما تفاوت مهم نظريه F با تمام نظريات قبلي اين بود که در اين مدل، بعد افزوده شده يک بعد زماني است و نه مکاني؛ به عبارتي در اين مدل زمان به جاي يک بعدي، دو بعدي است!
بسياري از نظريه پردازان مشتاقانه از نظريه F استقبال کردند چرا که اين نظريه با بعد اضافي خود، مسائل باقي مانده در نظريه M را به خوبي حل مي کند. اما از آن جايي که بعد اضافي مطرح شده در نظريه F، يک بعد زماني است؛ بنابراين نظريه مزبور طبيعتاً پيامدها و چالش هاي فلسفي عميقي را هم با خود به ميدان آورده است. بعضي فيزيکدان ها براي رهايي از اين چالش ها اين فرض را مطرح کرده اند که شايد اين بعد زماني جديد، صرفاً يک مفهوم رياضي باشد و نه يک مفهوم فيزيکي اما وفا چنين فرضي را قبول ندارد.
وفا در اين مورد به عنوان مثال به کوارک ها (ذرات تشکيل دهنده پروتون ها و نوترون ها) اشاره مي کند. تا همين چند دهه قبل به کوارک ها صرفاً به عنوان يک سازوکار رياضي جهت تبيين رفتار ذراتي نظير پروتون ها نگاه مي شد اما امروزه بيشتر فيزيکدان ها معتقدند که کوارک ها واقعاً در جهان وجود دارند. ممکن است مشابه چنين سرنوشتي در انتظار بعد زماني جديد و اسرارآميز نظريه F هم باشد.
اما اگر اين بعد زماني اضافي واقعاً وجود داشته باشد پس چرا تاکنون متوجه حضور آن نشده ايم؟ يک احتمال آن است که اين بعد زماني نيز همانند هفت بعد مکاني ناپيداي ديگر، آن چنان در خود پيچيده باشد که به چشم ما نمي آيد. اگر چنين باشد، تنها راه براي باز کردن اين بعد زماني درهم پيچيده، متمرکز کردن مقدار عظيمي از انرژي در حجمي بسيار کوچک خواهد بود؛ کاري که در صورت موفقيت آميز بودن، نتايج شگرفي در پي خواهد داشت . به گفته وفا اگر بتوان اين بعد زماني اضافي را از هم باز کرد، در آن صورت اشياء ديگر آن گونه که اکنون تصور مي کنيم در زمان حرکت نخواهند کرد. براي فهم بهتر اين مسأله به اين نکته توجه داشته باشيد که در بعد مکان مي توان توأماً به جلو و عقب، بالا و پايين و چپ و راست حرکت کرد و اين در حالي است که در حال معمول در بعد زمان تنها مي توان به سوي آينده حرکت کرد. اما چنان چه بيش از يک بعد زماني وجود داشته باشد در آن صورت حتي مي توان در درون يک لحظه نيز به مسافرتي ابدي پرداخت؛ سفري در امتداد عمود بر جهت سير زمان! به اين ترتيب اگر چنانچه از وقوع رويدادي ناگوار در آينده باخبر شديم مي توان با حرکت در درون يک لحظه (به جاي حرکت در امتداد لحظه ها و در جهت سير زمان)، از مواجه شدن با واقعه مزبور اجتناب کرد.
البته بايد گفت که تمرکز انرژي آن چنان عظيمي که بتواند بعد زماني اضافي و درهم پيچيده نظريه F را از هم باز کند، کاري فوق العاده دشوار خواهد بود. به همين دليل هم بعضي فيزيکدان ها معتقدند تنها نقاطي در جهان ما که امکان ظهور آثار اين بعد اضافي در آن جا وجود دارد، قلب سياه چاله ها هستند.

نظريه جهان شش بعدي
 

اما کامران وفا تنها فيزيکداني نيست که معتقد است زمان به جاي خطي، صفحه اي است. در سال 1995 وقتي که ايتزاک بارز – فيزيکدان دانشگاه کاليفرنياي جنوبي – مشغول مطالعه روي نظريه M بود با نشانه هايي مبني بر وجود يک بعد زماني اضافي در اين نظريه مواجه شد و تصميم گرفت نگاه دقيق تري به آن بيندازد. بارز کشف کرد که مي توان دو بعد جديد به نظريه M اضافه کرد، بدون آن که ويژگي هاي اساسي هيچ يک از 11 بعد ديگر آن به لحاظ رياضي تغيير کند. اما انجام اين کار، يک شرط اساسي داشت و آن اين که يکي از اين دو بعد بايد حتماً يک بعد زماني مي بود. بنابراين براساس نظريه بارز، جهان ما – که صرفاً يکي از جهان هاي بي شمار شناور در کائنات است – به جاي چهار بعدي در واقع شش بعدي است (براساس اين نظريه، کل کائنات هم 13 بعدي است که از افزودن دو بعد جديد به ابعاد يازده گانه نظريه M حاصل مي شود.) البته بارز به خوبي با خطرات افزودن يک بعد زماني جديد به معادلات آشنا بود ولي با اين حال بدون ترس به پيش رفت. او در کمال شگفتي به اين نتيجه رسيد که به واسطه تقارن هاي رياضي موجود در اين نظريه، معضلاتي نظير احتمالات منفي و سفر در زمان به خودي خود از مسأله حذف خواهند شد.
البته براساس نظريه بارز، امکان سفر در زمان به طور کلي منتفي نيست اما اين امکان به واسطه وجود تقارن هاي رياضي موجود به شدت محدود مي شود. در واقع بنابر نظر بارز، پديده ها در اين جهان شش بعدي امکان مانور بسيار اندکي دارند. اين محدوديت حرکت در شش بعد عملاً امکان ورود به بعد زماني دوم و بازگشت به گذشته از درون اين بعد را منتفي مي کند. در ضمن همين امر منجر به حذف احتمالات منفي نيز خواهد شد. بنابراين اين جهان شش بعدي عملاً شبيه به يک جهان بسيار محدودتر يعني يک جهان چهار بعدي رفتار مي کند و براي همين است که تا پيش از اين تصور ما اين بود که در يک جهان بعدي زندگي مي کنيم.

زيستن در سايه هاي ابرزمان
 

همان طور که بيان شد براساس نظريه بارز، جهاني که ما در اطراف خود مي بينيم در واقع سايه اي از يک جهان شش بعدي است. براي درک بهتر اين مطلب، دست خود را به عنوان يک جسم سه بعدي و سايه آن روي ديوار را به عنوان يک تصوي دوبعدي در نظر بگيريد. دقيقاً همان طور که دست شما بسته به موقعيت منبع نور، سايه هاي مختلفي خواهد داشت، به ازاي يک جهان شش بعدي هم سايه هاي چهار بعدي متعددي مي توانند شکل بگيرند. بر مبناي گفته بارز، هر يک از اين سايه ها منجر به شکل گيري مجموعه پديده هاي متفاوتي در جهان ما خواهند شد.
البته تاکنون فقط تعداد اندکي از فيزيکدان ها ايده بارز را به طور جدي تعقيب کرده اند؛ چرا که تمامي تلاش هايي که توسط فيزيکدان هاي پيش از بارز براي افزودن ابعاد زماني جديد به معادلات صورت گرفته بود، همگي پيش از آن که به سؤالات مطرح در عرصه فيزيک پاسخ دهند، سؤالات جديدي در پيش روي فيزيکدان ها قرار داده بودند. يکي از سؤالات در مورد واقعيت داشتن وجود بعد زماني جديد بود. آيا اين بعد جديد هم مانند بعد زماني متعارفي که ما ادراک مي کنيم، واقعي است؟ اغلب فيزيکدان ها اين بعد زماني جديد را همانند بعد زماني اضافي در نظريه کامران وفا صرفاً به عنوان يک مفهوم رياضي و نه به عنوان يک پديده واقعي و فيزيکي قبول دارند. به عقيده اين فيزيکدان ها چنين مفاهيمي صرفاً ابزارهايي محاسباتي هستند که با کمک آن ها مي توان محاسبات را به پيش برد. اما بارز اصرار دارد که اين ابعاد اضافي صرفاً يک تردستي رياضي نيستند. او مي گويد اين ابعاد اضافي واقعاً وجود دارند. آن ها دقيقاً همانند سه بعد مکاني و يک بعد زماني آشناي خودمان واقعي هستند.
متأسفانه ما هيچ گاه قادر نخواهيم بود وجود بعد زماني دوم را به همين صورتي که بعد زمان متعارف را درمي يابيم ادراک کنيم. به عنوان مثال هيچ گاه نمي توان ساعتي ساخت که قادر به ثبت اين زمان دوم باشد. به همين ترتيب هيچ گاه نمي توان به واسطه وجود اين بعد زماني دوم، صبح ها چند ساعت ديرتر از خواب بيدار شد. علت اين امر آن است که زماني که به طور متعارف براي ما قبل ادراک است صرفاً سايه اي از يک حقيقت برتر شش بعدي است که هرگز براي ما قابل دسترسي نخواهد بود.
البته اين بدين معنا نيست که اين بعد زماني اضافي هيچ تأثيري در جهان ما ندارد. بارز معتقد است چنين تأثيراتي وجود دارند ولي اغلب به صورت ناآشکار عمل مي کنند. به عقيده بارز حتي ممکن است شواهد مستقيمي هم از عملکرد اين بعد زماني وجود داشته باشد. در واقع جديدترين تحقيقات بارز نيز دقيقاً روي چنين مسأله اي متمرکز شده است. او سعي دارد تا فيزيک با ابعاد زماني مضاعف را بر روي مفهوم ابرتقارن اعمال کند. براساس مدل ابرتقارن، هر يک از ذرات بنيادي کشف شده داراي يک ابرهمزاد سنگين تر خواهند بود.
هرچند اين ذرات ابرتقارني هنوز در هيچ آزمايشي مشاهده نشده اند اما انتظار مي رود بتوان آن ها را در برخوردهاي بسيار پرانرژي صورت گرفته در «برخورددهنده بزرگ هادرون ها» که امسال در حومه شهر ژنو در سوئيس راه اندازي شد مشاهده کرد.
بارز معتقد است نظريه زمان صفحه اي ويژگي هاي متفاوتي را نسبت به ساير نظريات موجود در مورد اين ذرات ابرتقارني مطرح خواهد کرد. اما مسأله به اين مورد خاص هم منحصر نمي شود؛ چرا که بارز با اعمال فيزيک شش بعدي روي نظريه ميدان کوانتومي به اين اطمينان رسيده است که به زودي موارد متعدد ديگري نيز پيدا خواهد شد که در آن ها پيش بيني هاي فيزيک شش بعدي نسبت به فيزيک چهاربعدي متفاوت خواهد بود. او مي گويد: «اين تنها آغاز راه است و من بر اين باورم که ساير فيزيکدان ها نيز به زودي به دستاوردهاي بسيار جالب توجهي در اين مورد دست خواهند يافت.» شايد عجيب به نظر برسد ولي تنها گذشت زمان مشخص خواهد کرد که آيا نظريات عجيب و غريبي مانند نظريات بارز وفا در مورد زمان صحيح هستند يا نه!

منبع:مجله دايرة المعارفي دانستنيها (همشهري) / شماره 17