زمان برای همه مفهوم آشنا و شناسایی شده ای است، اما تعریف و درک آن دشوار است. علم، فلسفه، دین و هنر هر کدام تعاریف متفاوتی از زمان ارائه می دهند، اما سیستم های اندازه گیری آن نسبتاً ثابت است.

ساعت ها بر اساس ثانیه ها، دقیقه ها و ساعت ها کار می کنند. در حالی که مبنای این واحدها در طول تاریخ تغییر کرده، ریشه های آن به سومر باستان (منطقه ای که اکنون در جنوب عراق است) برمی گردد. واحد بین المللی مدرن زمان، ثانیه، از طریق انتقال الکترونیکی اتم سزیم تعریف می شود. اما واقعاً زمان چیست؟

تعریف علمی زمان

زمان به چه معناست؟ فیزیک دانان زمان را به عنوان پیشرفت وقایع از گذشته به حال و سپس به آینده تعریف می کنند. به عبارت دیگر، اگر یک سیستم تغییری نکند، نمی توان آن را تفکیک کرد. زمان می تواند به عنوان بعد چهارم واقعیت در نظر گرفته شود که برای توصیف وقایع در فضای سه بعدی به کار می رود. این مفهوم چیزی نیست که بتوانیم ببینیم، لمس کنیم یا بچشیم، اما می توانیم گذر آن را اندازه گیری کنیم.

پیکان زمان

معادلات فیزیک به طور معادل کار می کنند، چه زمان به سمت آینده حرکت کند (زمان مثبت) و چه به سمت گذشته (زمان منفی). با این حال، زمان در دنیای طبیعی یک جهت دارد که به آن پیکان زمان گفته می شود. پرسش این است که چرا زمان غیرقابل بازگشت است، یکی از بزرگ ترین سوالات حل نشده در علم است.

یکی از توضیحات این است که دنیای طبیعی تابع قوانین ترمودینامیک است. قانون دوم ترمودینامیک بیان می کند که در یک سیستم ایزوله، آنتروپی سیستم ثابت یا افزایش می یابد. اگر جهان به عنوان یک سیستم ایزوله در نظر گرفته شود، آنتروپی آن (درجه بی نظمی) هرگز نمی تواند کاهش یابد. به بیان دیگر، جهان نمی تواند به حالت دقیقاً همانند آنچه در یک نقطه قبلی داشت بازگردد. بنابراین زمان نمی تواند به عقب برود.

انبساط زمان

در مکانیک کلاسیک، زمان در همه جا یکسان است. ساعت های همزمان در توافق باقی می مانند. با این حال، ما می دانیم که بر اساس نسبیت خاص و عمومی اینشتین، زمان نسبی است. این به چارچوب مرجع ناظر بستگی دارد. این می تواند منجر به انبساط زمان شود، جایی که زمان بین وقایع، هر چه به سرعت نور نزدیک تر می شود، طولانی تر (منبسط) می گردد. ساعت های متحرک کندتر از ساعت های ساکن کار می کنند و این اثر هر چه ساعت متحرک به سرعت نور نزدیک تر شود، بیشتر می گردد. ساعت ها در جت ها یا در مدار زمان را کندتر از آن هایی ثبت می کنند که روی زمین هستند، همچنین ذرات میون نیز هنگام سقوط کندتر تجزیه می شوند و آزمایش میکل سان-موری تأییدکننده انقباض طول و انبساط زمان بوده است.

سفر در زمان

سفر در زمان به معنای حرکت به جلو یا عقب به نقاط مختلف زمانی است، درست مانند اینکه بخواهید بین نقاط مختلف در فضا حرکت کنید. در طبیعت، جهش به جلو در زمان اتفاق می افتد. فضانوردان در ایستگاه فضایی بین المللی وقتی به زمین برمی گردند، به دلیل حرکات کندتر آن نسبت به ایستگاه، به جلو می پرند.

ایده سفر به گذشته مشکلاتی را ایجاد می کند. یکی از این مسائل علیت یا رابطه علت و معلول است. حرکت به عقب در زمان می تواند موجب ایجاد یک پارادوکس زمانی شود. "پارادوکس پدربزرگ" مثال کلاسیکی از این موضوع است. بر اساس این پارادوکس، اگر شما به گذشته سفر کنید و پدربزرگ خود را قبل از تولد والدین تان بکشید، ممکن است مانع از تولد خود شوید. بسیاری از فیزیک دانان معتقدند سفر در زمان به گذشته غیرممکن است، اما راه حل هایی برای پارادوکس های زمانی وجود دارد، مانند سفر بین جهان های موازی یا نقاط انشعاب.

ادراک زمان

مغز انسان برای پیگیری زمان مجهز است. هسته های فوق چشم گاهی (suprachiasmatic nuclei) در مغز بخش مسئول ریتم های روزانه یا زیستی هستند. اما انتقال دهنده های عصبی و داروها بر ادراک زمان تأثیر می گذارند. مواد شیمیایی که نورون ها را تحریک می کنند تا سریع تر از سرعت عادی عمل کنند، زمان را تسریع می کنند، در حالی که کاهش فعالیت نورون ها، ادراک زمان را کند می کند. به طور کلی، زمانی که زمان به نظر می رسد تسریع می شود، مغز وقایع بیشتری را در یک بازه زمانی تشخیص می دهد. در این رابطه، زمان واقعاً وقتی کسی سرگرم است، به سرعت سپری می شود.

زمان در مواقع اضطراری یا خطر به نظر می رسد که کند می شود. دانشمندان در کالج پزشکی بیلور در هوستون می گویند که مغز واقعاً سریع تر نمی شود، بلکه آمیگدال فعال تر می شود. آمیگدال بخشی از مغز است که الگوهای رفتاری را ایجاد می کند. با ایجاد بیشتر الگوهای رفتاری، زمان به نظر طولانی تر می رسد.

همین پدیده توضیح می دهد که چرا افراد مسن تر به نظر می رسند زمان را سریع تر از وقتی که جوان تر بودند ادراک کنند. روشن شناسان معتقدند که مغز الگوهای جدید بیشتری از تجربیات جدید را در مقایسه با الگوهای آشنا شکل می دهد. از آنجا که در زندگی دیرتر، الگوهای جدید کمتری شکل می گیرد، زمان به سرعت سپری می شود.

آغاز و پایان زمان

از نظر جهان، زمان آغاز داشته است. نقطه شروع آن ۱۳.۷۹۹ میلیارد سال پیش بوده است که بیگ بنگ اتفاق افتاد. ما می توانیم تابش زمینه کیهانی را به عنوان میکروویوهایی از بیگ بنگ اندازه گیری کنیم، اما هیچ تابشی با منشاء قبلی وجود ندارد. یکی از دلایل برای منشاء زمان این است که اگر زمان به عقب به طور نامتناهی جلو برود، آسمان شب باید با نور ستاره های قدیمی پر شود.

آیا زمان به پایان می رسد؟ پاسخ به این سوال ناشناخته است. اگر جهان برای همیشه گسترش یابد، زمان ادامه خواهد داشت. اگر بیگ بنگ جدیدی رخ دهد، خط زمانی ما به پایان می رسد و خط جدیدی آغاز می شود. در آزمایش های فیزیک ذرات، ذرات تصادفی از خلاء به وجود می آیند، بنابراین به نظر نمی رسد که جهان به حالت ساکن یا بی زمان تبدیل شود. تنها زمان است که نشان خواهد داد.

نکات کلیدی

• زمان پیشرفت وقایع از گذشته به آینده است.
• زمان فقط در یک جهت حرکت می کند. حرکت به جلو در زمان ممکن است، اما حرکت به عقب غیرممکن است.
• دانشمندان معتقدند تشکیل حافظه اساس ادراک انسان از زمان است.