تاريخ الكون وسهم الزمن. صورة الائتمان: ناسا / GSFC.

من أين يأتي سهمنا من الوقت؟

لقد مضى الماضي ، المستقبل ليس هنا بعد ، الحاضر فقط الآن. ولكن لماذا تتدفق دائما بالطريقة التي تعمل بها بالنسبة لنا؟

"هكذا يتم كتابة معاهدة لدينا ؛ هكذا يتم الاتفاق. الفكر هو سهم الزمن. الذاكرة لا تتلاشى. ما سئل هو إعطاء ؛ يتم دفع الثمن ".
روبرت الأردن

كل لحظة تمر تجدنا مسافرين من الماضي إلى الحاضر وإلى المستقبل ، مع مرور الوقت دائمًا في نفس الاتجاه. في أي وقت من الأوقات ، لا يبدو أنه يقف صامدًا أو معكوسًا ؛ يشير "سهم الوقت" دائمًا إلى الأمام بالنسبة لنا. ولكن إذا نظرنا إلى قوانين الفيزياء - من نيوتن إلى آينشتاين ، ومن ماكسويل إلى بور ، ومن ديراك إلى فينمان - فإنها تبدو متناظرة للوقت. بمعنى آخر ، المعادلات التي تحكم الواقع لا تملك تفضيلًا يتدفق بها الوقت. الحلول التي تصف سلوك أي نظام يطيع قوانين الفيزياء ، كما نفهمها ، صالحة تمامًا للوقت الذي يتدفق إلى الماضي كما هو الحال بالنسبة للوقت الذي يتدفق إلى المستقبل. ومع ذلك ، نعلم من التجربة أن الوقت يتدفق فقط باتجاه واحد: إلى الأمام. من أين يأتي سهم الوقت؟

تحدد الكرة في منتصفها مساراتها الماضية والمستقبلية وفقًا لقوانين الفيزياء ، ولكن الوقت لن يتدفق إلا إلى المستقبل بالنسبة لنا. ائتمان الصورة: ويكيميديا ​​تشغل مستخدمي MichaelMaggs و (محرر بواسطة) ريتشارد بارتز ، بموجب ترخيص c.c.a.-s.a.-3.0.

يعتقد الكثير من الناس أنه قد يكون هناك صلة بين سهم الوقت وكمية تسمى إنتروبي. في حين أن معظم الناس عادة ما يربطون بين "الاضطراب" والانتروبيا ، إلا أنه وصف كسول إلى حد ما وليس دقيقًا أيضًا. بدلاً من ذلك ، فكر في الانتروبيا كمقياس لمقدار الطاقة الحرارية (الحرارية) التي يمكن أن تتحول إلى عمل ميكانيكي مفيد. إذا كان لديك الكثير من هذه الطاقة القادرة على القيام بالعمل المحتمل ، فلديك نظام منخفض الإنتروبيا ، بينما إذا كان لديك القليل جدًا ، فلديك نظام عالي الانتروبيا. القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو علاقة مهمة للغاية في الفيزياء ، وينص على أن إنتروبيا نظام مغلق (قائم بذاته) لا يمكن إلا أن يزيد أو يبقى كما هو مع مرور الوقت ؛ لا يمكن أبدا النزول. بمعنى آخر ، بمرور الوقت ، يجب زيادة الكون بأكمله. إنه قانون الفيزياء الوحيد الذي يبدو أنه لديه اتجاه مفضل للوقت.

لا يزال من محاضرة عن الانتروبيا لكلاريسا سورنسن أونروه. رصيد الصورة: C. Sorensen-Unruh من YouTube ، عبر https://www.youtube.com/watch؟v=Mz8IM7pWkok.

فهل هذا يعني أننا نختبر الوقت فقط بالطريقة التي نمارسها بسبب القانون الثاني للديناميكا الحرارية؟ هناك علاقة عميقة بشكل أساسي بين سهم الزمن والنتروب؟ بعض علماء الفيزياء يعتقدون ذلك ، وهو بالتأكيد احتمال. من خلال تعاون مثير للاهتمام بين قناة MinutePhysics على YouTube والفيزيائي Sean Carroll ، مؤلف كتاب The Big Picture ، From Eternity To Here ، ومحب الأسهم الخاص بـ entropy / time ، يحاولون الإجابة عن سؤال حول سبب عدم تدفق الوقت للوراء. مما لا يثير الدهشة ، أنها توجه الأصابع بشكل مباشر إلى الانتروبيا.

صحيح أن الانتروبي يفسر السهم من الزمن لعدد من الظواهر ، بما في ذلك لماذا تختلط القهوة والحليب ولكن لا تخلطهما ، لماذا يذوب الجليد في مشروب دافئ ولكن لا ينشأ تلقائيًا مع مشروب دافئ من مشروب بارد ، و لماذا لا يتم حل البويضة المطبوخة المطبوخة مرة أخرى في صفار وألبوم منفصل غير مطبوخ. في كل هذه الحالات ، انتقلت حالة الانتروبيا المنخفضة في البداية (مع المزيد من الطاقة المتاحة وقادرة على العمل) إلى حالة أعلى الانتروبيا (والطاقة المتاحة أقل) مع مرور الوقت إلى الأمام. هناك الكثير من الأمثلة على ذلك في الطبيعة ، بما في ذلك غرفة مليئة بالجزيئات: جانب مليء بجزيئات باردة بطيئة الحركة والآخر مليء بجزيئات ساخنة سريعة الحركة. ببساطة أعطه الوقت ، وسيتم خلط الغرفة بالكامل مع جزيئات الطاقة المتوسطة ، مما يمثل زيادة كبيرة في الانتروبيا ورد فعل لا رجعة فيه.

النظام الذي تم إنشاؤه في الظروف الأولية على اليسار والسماح للتطور سيصبح النظام على اليمين تلقائيًا ، ويكتسب إنتروبيا في العملية. رصيد الصورة: مستخدمي ويكيميديا ​​كومنز Htkym و Dhollm ، بموجب ترخيص c.c.-by-2.5.

باستثناء ذلك ، لا يمكن الرجوع عنه تمامًا. كما ترى ، هناك تحذير ينسيه معظم الناس عندما يتعلق الأمر بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية وزيادة الانتروبيا: إنه يشير فقط إلى إنتروبيا نظام مغلق ، أو نظام لا تتم فيه إضافة أو تغيير أي طاقة خارجية أو تغييرات في الانتروبيا . كان عالم الفيزياء العظيم جيمس كليرك ماكسويل قد فكر أولاً في طريقة لعكس هذا التفاعل في سبعينيات القرن التاسع عشر: ما عليك سوى امتلاك كيان خارجي يفتح الفجوة بين جانبي الغرفة عندما يسمح للجزيئات "الباردة" بالتدفق على جانب واحد والجزيئات "الساخنة" لتدفق على الجانب الآخر. أصبحت هذه الفكرة معروفة باسم شيطان ماكسويل ، وتمكنك من تقليل انتروبيا النظام بعد كل شيء!

تمثيل لشيطان ماكسويل ، الذي يمكنه فرز الجزيئات وفقًا لطاقتها على جانبي الصندوق. رصيد الصورة: مستخدم Wikimedia Commons Htkym ، بموجب ترخيص c.c.a.-s.a.-3.0.

لا يمكنك انتهاك القانون الثاني للديناميكا الحرارية عن طريق القيام بذلك ، بالطبع. المهم هو أن الشيطان يجب أن ينفق قدرا هائلا من الطاقة لفصل الجزيئات مثل هذا. النظام ، تحت تأثير الشيطان ، هو نظام مفتوح ؛ إذا قمت بتضمين إنتروبيا الشيطان نفسه في النظام الكلي للجزيئات ، فستجد أن إنتروبيا الكلية ، في الواقع ، تزيد بشكل عام. ولكن ها هي كيكر: حتى لو كنت تعيش في الصندوق وفشلت في اكتشاف وجود الشيطان - بعبارة أخرى ، إذا كان كل ما فعلته كان يعيش في جيب الكون الذي شهد انخفاض الكون الخاص به - فسيظل الوقت يمضي قدمًا أنت. لا يحدد السهم الزمني الديناميكي الحراري الاتجاه الذي نتصور فيه مرور الوقت.

بغض النظر عن الطريقة التي نغير بها الكون من حولنا ، لا يزال الوقت يمر لجميع المراقبين بمعدل ثانية واحدة في الثانية. صورة المجال العام.

من أين يأتي سهم الوقت الذي يرتبط بتصورنا؟ لا نعرف. لكن ما نعرفه هو أن سهم الزمن الديناميكي الحراري ليس كذلك. تعرف قياسات إنتروبيا في الكون عن انخفاض هائل واحد محتمل في التاريخ الكوني: نهاية التضخم الكوني وانتقاله إلى الانفجار الكبير الحار. نحن نعلم أن عالمنا يتجه إلى مصير بارد وفارغ بعد أن تحترق جميع النجوم ، بعد انحسار كل الثقوب السوداء ، وبعد أن تتسبب الطاقة المظلمة في دفع المجرات غير المنضمة بعيدًا عن بعضها البعض والتفاعلات الجاذبية تطلق آخر بقايا من الكواكب والنجوم المتبقية . تُعرف هذه الحالة الديناميكية الحرارية للإنتروبيا القصوى باسم "الموت الحراري" للكون. ومن الغريب أن الحالة التي نشأ منها عالمنا - حالة التضخم الكوني - لها نفس الخصائص بالضبط ، فقط مع معدل توسع أكبر بكثير خلال الحقبة التضخمية من عصرنا الحالي المظلم الذي تهيمن عليه الطاقة.

تعني الطبيعة الكمومية للتضخم أنه ينتهي في بعض

كيف وصل التضخم إلى نهايته؟ كيف تحولت طاقة الفراغ الخاصة بالكون ، الطاقة الملازمة لتفريغ الفضاء نفسه ، إلى حمام ساخن حراريًا من الجزيئات والجسيمات المضادة والإشعاع؟ وهل انتقل الكون من حالة الانتروبيا العالية بشكل لا يصدق أثناء التضخم الكوني إلى الانتروبيا المنخفضة خلال الانفجار الكبير الحار ، أم كانت الكون خلال التضخم أقل حتى بسبب قدرة الكون النهائية على القيام بأعمال ميكانيكية؟ عند هذه النقطة ، لدينا نظريات فقط لتوجيهنا. التوقيعات التجريبية أو الرصدية التي من شأنها أن تخبرنا عن الإجابات على هذه الأسئلة لم يتم الكشف عنها.

من نهاية التضخم وبداية الانفجار الكبير الحار ، تزداد الإنتروبيا دائمًا خلال يومنا هذا. رصيد الصورة: E. Siegel ، مع صور مشتقة من ESA / Planck وفرقة العمل المشتركة بين الوكالات التابعة لـ DoE / NASA / NSF حول أبحاث CMB. من كتابه ، وراء المجرة.

نحن نفهم سهم الوقت من منظور الديناميكا الحرارية ، وهذا هو قيمة المعرفة ومثيرة للاهتمام بشكل لا يصدق. ولكن إذا كنت تريد أن تعرف سبب وجود الأمس في الماضي غير الثابت ، فسيصل غدًا في يوم واحد والحاضر هو ما تعيشه الآن ، لن تعطيك الديناميكا الحرارية الإجابة. لا أحد ، في الواقع ، يفهم ما سوف.

ظهر هذا المنشور لأول مرة في فوربس ، ويتم إحضاره لك مجانًا من قبل مؤيدي باتريون. التعليق على منتدانا ، وشراء كتابنا الأول: ما وراء المجرة!