آیا بعد چهارم زمان وجود دارد؟

به غیر از سه بعد فضا، بعد چهارم، زمان است. زمان، تغییر را ممکن می‌سازد و گر نه در جهانی ایستا زندگی می‌کردیم. بگذارید بررسی کنیم که منظورمان از زمان چیست و چگونه نظریه نسبیت خاص انیشتین ضربه‌ی مهلکی بر پیکر زمان مطلق در مکانیک نیوتنی وارد ساخت.
وقت آن رسیده که ماهیت زمان را زیر سؤال ببرید. آیا می‌توان زمان را یک بعد اساسی فیزیکی هم تراز با دیگر ابعاد فضایی در نظر گرفت؟ و اگر چنین باشد پس چرا نمی‌توانیم در زمان به جلو و عقب سفر کنیم درست همان طور که در ابعاد فضا حرکت می‌کنیم؟

بیایید جواب این سؤالات را پیدا کنیم.

زمان چیست؟

ما از طریق زمان تغییراتی را که به طور مداوم در جهان اتفاق می‌افتد رد یابی می‌کنیم. زمان از پویایی جهان ناشی می‌شود یا می توان گفت، که پویایی امکان پذیر است، چرا که زمان وجود دارد. به نحوی می‌توان گفت که زمان بایست ابداع شده باشد تا همه‌ی روی داد‌ها در یک لحظه اتفاق نیفتند و فضا و مکان ساخته شود و همه چیز در یک موقعیت اتفاق نیفتد! منظور ما از زمان مجموعه‌ای از تغییرات و حوادثی است که به وقوع می‌پیوندد. از روی دادهایی که به صورت دوره‌ای رخ می دهند، مانند طلوع و غروب آفتاب، چرخش و انقلاب زمین به دور خورشید برای درجه بندی و اندازه‌ گیری زمان استفاده می‌شود. ساعتهای ما برای پی گیری زمان با این روی دادها که به صورت دوره‌ای تکرارمی‌شوند هماهنگ شده است. پس می‌توان گفت که زمان را تنها با تغییراتی که در جهان مادی رخ می‌دهد حس می‌کنیم و می‌فهمیم. به بیان ساده‌تر، زمان تغییر است.

بُعد به چه معنا است؟

بُعد درجه‌ای از آزادی یک سیستم است. به عبارت ساده، تعداد شیوه‌ها یا جهت‌هایی است که از آن طریق تغییر می‌تواند در یک سیستم رخ دهد. بگذارید توضیح دهیم که منظورمان از بعد جهان چیست. تصور کنید که یک مورچه روی ریسمانی بسیار نازک در حال حرکت است. پهنای ریسمان به قدری است که مورچه تنها می‌تواند جلو و عقب برود و نمی تواند از کناره‌ها عبور کند. در واقع آزادی حرکت او تنها به یک بعد محدود می‌شود. حال در نظر بگیرید که یک مورچه روی یک لوح مسطح در حال حرکت است، او هم می‌تواند مستقیم برود هم از پهلوها حرکت کند ولی قادر نیست بالا و پایین برود، پس درجه‌ی آزادی او دو است. بنا بر این او در حال حرکت روی یک جسم دو بعدی است. حالا یک مورچه‌ی بال دار را تصور کنید. او می‌تواند مستقیم برود یا از کناره‌ها حرکت کند، هم چنین می تواند بالا و پایین هم برود. درجه آزادی او سه است، پس او هم همانند ما در یک فضای سه بعدی حرکت می‌کند.

چگونه زمان بعد چهارم است؟

حالا از خودتان سؤال کنید، اگر مفهوم زمان وجود نداشت چگونه حرکت در همه این ابعاد ممکن بود؟ اگر زمان وجود نداشت پویایی در فضا هم ممکن نبود. همه‌ی این مورچه‌ها در حال حرکت بودند، آنها در زمان هم حرکت می‌کردند. بنا بر این مورچه‌ای که روی ریسمان بود نه یک درجه بلکه دو درجه آزادی داشت، یکی زمان و دیگری مکان. در حقیقت او در دو بعد حرکت می‌کرد. ما نیز در دنیا در سه بعد فضا و یک بعد زمان حرکت می‌کنیم. با این حال، زمان به عنوان یک بعد، منحصر به فرد و متفاوت از سایر ابعاد فضا است. در بعد فضا شما می توانید بدون محدودیت جلو و عقب بروید. در مورد زمان قضیه بر عکس است. در زمان، شما می‌توانید تنها در یک جهت حرکت کنید. شما نمی‌توانید در زمان جلو و عقب بروید. این قضیه معناهای ضمنی دور از دست رسی دارد که در آینده بیشتر مورد بحث قرار خواهیم داد، اما بگذارید ابتدا ببینیم چگونه نظریه‌ی نسبیت خاص انیشتین درک ما را از فضا و زمان تغییر داد.

انیشتین و یگانگی زمان - فضا

در سال 1905، یک کارمند ثبت اختراع سوئیسی، آلبرت انیشتین، نظریه‌ای با عنوان نسبیتِ خاص را مطرح نمود که ضربه‌ای مهلک بر استحکامات مکانیک نیوتنی وارد ساخت. مکانیک نیوتنی مفهوم "زمان مطلق" را پیشنهاده داده بود. نظریه انیشتین انقلابی در شیوه‌ی نگرش ما به دنیا و طبیعت بود. اصل اساسی نسبیتِ خاص این است که هیچ چیز نمی‌تواند سریع تر از سرعت نور در خلاء حرکت کند و این ثابت است. اصل دوم این است که تمام قوانین جهان فیزیکی باید در هر چار چوب مرجع لختی یک سان باقی بمانند.
منظور از چارچوب مرجع لخت Inertial reference frame)) یک سیستم هماهنگ مرجع است که با یک سرعت ثابت حرکت می‌کند و یا ساکن است. هر سیستم هماهنگ دیگری با سرعتی ثابت در رابطه با یک سیستم هماهنگ در حالت استراحت نیز یک چارچوب مرجع لخت محسوب می‌شود.
مکانیک نیوتنی مفهوم زمان مطلق را مطرح کرد. بدان معنا که مردم هر چارچوب مرجعی را به کار ببرند، اگر ساعت‌هایشان را با هم مقایسه کنید یک زمان را نشان می‌دهند. نسبیت خاص این تصور را تغییر داده است. این ضرورت که سرعت نور باید ثابت باشد ما را مجبور می‌کند که مطلق بودن زمان را رد کنیم. به این معنا که ساعت‌های ناظران متفاوت در چار چوب‌های مرجع متفاوت زمان‌هایی متفاوت را نشان می دهد، اما قوانین فیزیک ثابت باقی خواهند ماند. در واقع هر چه شما سریعتر در فضا حرکت کنید، در زمان کندتر حرکت خواهید کرد. این مسئله را عمدتاً اتساع زمان می‌نامند. در حقیقت زمان مطلق نیست، بلکه نسبی است.
این مسئله باعث شده است که مفهوم ایده‌های جداگانه‌ی فضا و زمان فراموش شود و یک مفهوم واحد فضا - زمان به وجود آید. بعضی این مفهوم را در خود نام انیشتین یافتند. Ein در المانی به معنی "یک" است. اگر اسم او را این چنین تقسیم کنید EIN + ST + EIN '، ST به معنای فضا زمان ) spacetime) است. می‌بینید که نام او به معنای واقعی کلمه به معنی "یک فضا - زمان" است، که این یک تصادف جالب است.
بگذارید ببینیم که اتساع زمان به چه معنا است. همه‌ی ما در حال حرکت نه در فضای سه بعدی بلکه در فضای چهار بعدی هستیم. یک ماشین مسابقه را تصور کنید که در مسیر مسابقه‌ای مستقیم با سرعت ثابت در حال حرکت است. این ماشین در حال حرکت در یک بعد است و پس از مدت زمانی به خط پایان می رسد. حالا در نظر بگیرید که این ماشین در مسیری مورب در حال حرکت برای رسیدن به خط پایان است. در این صورت سرعت آن در دو بعد توزیع می‌شود، و بنا بر این زمان بیشتری به طول می انجامد تا اتومبیل مسیری مشابه را طی کند. سرعت اتوموبیل در یک بعد اصلی کاهش یافته است.
درست مشابه این اتوموبیل، تمام اشیاء در دنیای واقعی در حال حرکت در یک فضا - زمان چهار بعدی هستند، سرعتشان همانند سرعت نور ثابت است. به نظر حیرت انگیز می‌رسد اما حقیقت دارد. فقط سرعت در ابعاد توزیع شده و بیشتر آن در بعد زمان است.
زمانی که اشیاء در حال سکون هستند، در حقیقت تنها در بعد زمان حرکت می‌کنند. زمانی که شروع به حرکت می‌کنند شتابشان در سه بعد فضا افزایش می‌یابد. بنا بر این شما هرچه سریعتر در سه بعد فضا حرکت کنید، در بعد زمان آهسته تر حرکت خواهید کرد. این باعث اتساع زمان می‌شود. درک این قضیه کمی دشوار است، اما اگر به قدر کافی بر آن تعمق کنید، ساده خواهد شد.

پیکان زمان

آنچه بعد زمان را منحصر به فرد می‌کند این است که در این بعد شما تنها می‌توانید به جلو سفر کنید. این امر پی آمدهای عمیقی با خود دارد. این قضیه از قانون علیت، که در واقع همان قانون علت و معلول است، حمایت می‌کند. بدین ترتیب علت قبل از معلول به وقوع می‌پیوندد و این اتفاق برعکس نمی‌افتد. این بر گشت ناپذیری زمان از مفهوم آنتروپی ناشی شده است. اگر علم ترمو دینامیک را مطالعه کرده باشید به این قانون بر خواهید خورد که آنتروپی یا اختلال در جهان همواره افزایش می‌یابد، و هرگز نمی توان آن را کاهش داد. می‌توانید قانون آنتروپی را تنها با مشاهده ماهیت غیر قابل بر گشت پدیده‌های طبیعی درک کنید. به این معنا که اگر فنجانی بیفتد و بشکند هرگز نمی‌توان همه اتم‌های آن را دو باره سرجای خود قرار داد و آن را به همان شرایط قبلی برگرداند. در هر نظامی همواره بی ‌نظمی افزایش می‌یابد. افزایش آنتروپی یک طرفه است، درست مثل زمان که یک طرفه است. بنا بر این تصادفی نیست که پیکان ترمو دینامیکیِ زمان و پیکان گذر زمان در یک جهت هستند و هر دو قانون علیت را حمایت می‌کنند. در نتیجه عقب بردن زمان و سفر به گذشته غیر ممکن است چرا که با قانون علیت و آنتروپی مطابقت نداشته و آن‌ها را نقض می‌کند. با این وجود نسبیت خاص امکان سفر در زمان را در آینده محتمل می‌داند.
برای موجوداتی که در جهان مسطح دو بعدی زندگی می‌کنند، دشوار خواهد بود که تصور کنند یک جهان سه بعدی چگونه است. به طور مشابه، ما نیز که در جهانی با سه بعد فضایی زندگی می‌کنیم تصور وجود چهار بعد زمان فضا مشکل است. با این حال، بی ‌شک از طریق بسیاری از آزمون‌های تجربی غیر مستقیم ایده‌ی بعد چهارم زمان فضا آزموده شده است.
مفهوم زمان به عنوان بعد چهارم بسیار ظریف و دشوار است. امیدواریم زمانی که صرف خواندن این مقاله کردید، به قدر کفایت پرده از رموز زمان بر داشته باشد تا شما را به بررسی و تحقیقات بیشتر ترغیب کند.