در مطالعه‌ای که اخیراً در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر شد گروهی از فیزیکدانان نظری برجسته‌ی دنیا نظریه‌ی پیکان زمان را بررسی کردند، مفهومی که به حرکت رو به جلوی زمان اشاره می‌کند و چگونگی اعمال شدن این موضوع در شرایط متنوع فیزیکی را مورد بحث قرار می‌دهد.

امکان سفر زمان از طریق کرم چاله‌ها

به طور سنتی فرضیه‌ی گذشت زمان با تغییرات آشفتگی توضیح داده می‌شود به این صورت که هر سیستمی ابتدا با آنتروپی پایین شروع می‌شود و سپس بر اثر تغییرات ترمودینامیکی آنتروپی آن افزایش پیدا می‌کند، به طور خلاصه در گذشته آنتروپی پایین بوده و در آینده آنتروپی بالا خواهد بود، این مفهومی است که به نام عدم تقارن آنتروپی نیز شناخته می‌شود. در تجربه‌های روزمره می‌توانیم بسیاری از این افزایش آنتروپی‌ها را ببینیم مانند ذوب شدن یخ و یا پر شدن بو یا گازها در محیط اتاق. اگر این قانون را در مقیاس جهانی اعمال کنیم باید فرض کنیم پایین‌ترین نقطه‌ی آنتروپی جهان هنگام بیگ بنگ بوده است و پس از آن با افزایش آنتروپی، جهان گسترش یافته است. زمان ذاتاً از هنگامی که انفجار بزرگ صورت می‌گیرد آغاز خواهد شد. اما چند مشکل در مورد این ایده وجود دارد.

چه چیز باعث انبساط جهان می‌شود؟

چند لحظه پس از انفجار بزرگ، جهان چیزی جز ذراتی بسیار بسیار گرم نبود که به سرعت به اطراف پراکنده شده؛ اما به مرور زمان این ذرات کهن سرد شده و بر اثر گرانش روی هم جمع شده و ابرهایی از گازهای سرد را به وجود آوردند تا ستارگان و سیارات از میان آن‌ها زاده شوند، پس از آن مواد پیچیده‌تر از شیمی آلی به وجود آمدند تا جایی که در نهایت به ظهور زندگی و انسان متفکر منجر شد، بنابراین در مقیاس جهانی آنتروپی کاهش یافته است و زمان باید رو به عقب حرکت می‌کرد! فلاویو مرکاتی از موسسه‌ی تحقیقاتی فیزیک نظری انتاریوی کانادا اینگونه توضیح می‌دهد:

آنتروپی کمیتی فیزیکی است و مانند انرژی و درجه حرارت به مقیاسی برای سنجش نیاز دارد. آنتروپی زیر سیستم‌های جهان مانند سیارات و کهکشان‌ها را می‌توان با توجه به وضعیت کل جهان به دست آورد اما چون چیزی بزرگ‌تر از کل جهان وجود ندارد و تمام دنیا را نمی‌توانیم در قاب دیگری جای دهیم، تعریفی برای آنتروپی کل جهان نمی‌توانیم ارائه دهیم.

پس اگر آنتروپی کل جهان غیر قابل سنجش است چه چیزی زمان را به سوی جلو حرکت می‌دهد؟

آیا گرانش جهان ما را شکل داده است؟

پیچیدگی مقداری بی بعد است و در ساده‌ترین شکل توضیح می‌دهد که یک سیستم چقدر پیچیده دارد، بنابراین اگر کسی به جهان ما نگاه کند پیچیدگی مستقیماً با زمان در ارتباط خواهد بود؛ هرچه زمان بیشتری بگذرد جهان ساختار پیچیده‌تری به خود خواهد گرفت. اما سؤالی مطرح می‌شود و آن این است که چه چیزی باعث شده جهان ما در اولین مرحله، پیچیدگی کمی داشته باشد اما به مرور به سمت ایجاد ساختار‌های پیچیده حرکت کند؟ برای جواب این سؤال فلاویو مرکاتی و همکارانش نرم افزاری کامپیوتری برای شبیه سازی ذرات جهان طراحی کرده‌اند، آن‌ها متوجه شدند مهم نیست که چقدر این شبیه ساز اجرا می‌شود و برای چه مدتی شبیه‌ساز روشن بماند، پیچیدگی جهان همواره در حال افزایش خواهد بود و هرگز باگذشت زمان کاهش نمی‌یابد. هنگام انفجار بزرگ، جهان در کمترین پیچیدگی ممکن بوده است (سوپی گرم از ذرات بی‌نظم و انرژی خالص که به نام سوپ پلاسما شناخته می‌شود) و سپس با سرد شدن این گازها و شکل‌گیری ستاره‌ها و سیارات بر اثر نیروی گرانش، جهان به طور اجتناب‌ناپذیری پیچیده‌تر شده و گرانش همان نیروی محرکه برای افزایش این پیچیدگی بوده است.

آیا سفر در زمان ممکن است؟

هر راه حلی که بر مبنای شکل‌گیری جهان مبتنی بر نیروی گرانش ارائه می‌شود در ابتدا به مرحله‌ای اشاره می‌کند که جهان مملو از ماده و انرژی بدون ساختار و هرج و مرج کامل بوده است، چیزی که به نام سوپ پلاسما می‌شناسیم و پس زمینه‌ی مایکروویو کیهانی که امروز از تمام جهات توسط تلسکوپ‌های رادیویی ما گرفته می‌شوند در این زمان به وجود آمده‌اند. پس از آن با افزایش زمان نیروی جاذبه باعث کاهش انتروپی و ساختن سازه‌هایی که امروز به شکل کهکشان‌ها و ستاره‌‌ها می‌بینیم شده است. در این سازه‌ها زیر سیستم‌هایی با آنتروپی کم به وجود آمده‌اند که نگرش کلاسیک ما را از قوانین ترمودینامیک شکل داده‌اند. در درک زمینی ما از ترمودینامیک با‌گذشت زمان آنتروپی افزایش می‌یابد اما اگر از دید جهانی به این قضیه نگاه کنیم افزایش پیچیدگی همواره بر آنتروپی غالب بوده است. فلاویو مرکاتی می‌گوید:

پیچیدگی ساختار جهان در حال افزایش است، در روندی غیر قابل بازگشت کهکشان‌های بزرگ از هم جدا می‌شوند و میان آن‌ها فضاهای خالی به وجود می‌آید، کهکشان‌هایی که در گذشته‌های دور همه از یک منبع زاده شده بودند. ما حدس می‌زنیم درک انسان از زمان، نتیجه‌ی یک قانون و آن افزایش غیر قابل برگشت پیچیدگی در جهان است.

قدم بعدی در این تحقیقات جستجو برای یافتن شواهد تجربی است، چیزی که بتواند از این نظریه به خوبی پشتیبانی کند. مرکاتی می‌گوید:

ما هنوز نمی‌دانیم آیا واقعاً چنین نشانه‌هایی وجود دارند یا خیر، اما می‌دانیم چه نوع از آزمایش‌هایی می‌تواند شانس یافته شدن مدارکی برای تأیید ایده‌ی ما را داشته باشند، این مشاهدات کیهانی خواهند بود.

فلاویو مرکاتی در مورد نوع آزمایش‌هایش صحبتی نمی‌کند پس برای یافتن نتیجه‌ی آن‌ها هنوز باید صبر کنیم. اگر گذشت زمان نتیجه‌ی افزایش یک طرفه‌ی پیچیدگی باشد نباید انتظار داشته باشیم که شاید بتوان در زمان به سوی عقب حرکت کرد، اما آیا سرعت بخشیدن به این گذشت زمان امکان نخواهد داشت؟ آیا نمی‌توانیم سفری بدون بازگشت به آینده داشته باشیم؟