آيا ممکن است زمان هم مانند مکان چند بعدی باشد؟

ساليان سال تصور فيزيکدان‌ها آن بود که فضا سه‌بعدی است، اما از ابتدای قرن بيستم اين تصور شروع به تغيير کرد. در ابتدا اين نظريه مطرح شد که شايد فضا چهاربعدی باشد، ولی با گذشت زمان تعداد ابعاد فضا باز هم بيشتر شد تا اينکه امروزه بهترين نظريه‌های مطرح در فيزيک، فضا را ده بعدی می‌دانند. در اين تصوير، جهان ما با سه بعد فضايی، تنها يک جهان از ميان جهان‌های بی‌شمار شناور در پهنه‌ی کائنات است.

اما داستان زمان کاملاً متفاوت است، چراکه از همان آغاز تاکنون، زمان در معادلات فيزيکدان‌ها همچنان يک بعدی باقي مانده است. در واقع در تمامی طول تاريخ علم، تصور فيزيکدان‌ها آن بوده که تمامی مسائل‌شان با همين زمان يک بعدی قابل حل است. اما احتمالاً همگی آنها در اشتباه بوده‌اند، چراکه تنها ظرف يک دهه‌ی اخير، همه چيز تغيير کرده است. اکنون پس از قرن‌ها بالاخره سر و کله‌ی يک فيزيکدان پرشهامت پيدا شد که معتقد است با افزودن يک بعد زمانی جديد به معادله‌های توصيف‌کننده‌ی کائنات می‌توان بسياری از مسائل لاينحل موجود در فيزيک امروز را حل کرد. اين فيزيکدان جسور کسی نيست جز «کامران وفا» فيزيکدان برجسته‌ی ايرانی دانشگاه هاروارد.

البته نظريه‌ی «وفا» نيز مانند تمامی نظريه‌های بزرگ ديگر با چالش‌هايی مواجه است که بايد به آنها پاسخ داد، سوألاتی از قبيل اين‌که چرا اين بعد زمانی اضاف  تاکنون از نگاه تيزبين دانشمندان پنهان مانده بود؟ آيا اين بعد اضاف  صرفاً يک ساز و کار رياضي است يا واقعاً نشان‌دهنده‌ی يک بعد زمانی جديد در کائنات است؟ ارتباط اين بعد زمانی جديد با ادراک متعارف ما نسبت به گذشته و آينده چگونه است؟ تعامل اين بعد زمانی با مسأله‌ی موجبيت در فيزيک به چه صورت است؟ و سوألاتی از اين قبيل. «مايکل داف» نظريه‌پرداز دانشگاه تگزاس در اين‌باره می‌گويد؛ «وجود بيش از يک بعد زمانی در کائنات، مساله‌ای بسيار حيرت‌انگيز و گيج‌کننده است.»

ايده‌ی وجود ابعاد بالاتر جهان، از تلاش فيزيکدان‌ها برای کشف نيروی واحد و بنيادين کائنات ريشه گرفته است. از دهه‌ی ۱۹۲۰ ميلادی فيزيکدان‌ها دريافته بودند که چنانچه فضا – زمان به جای چهاربعدی، پنج‌بعدی باشد، می‌توان نظريه‌ای واحد ارائه داد که نظريه‌های الکترومغناطيس و گرانش را توأماً دربربگيرد. اين کار تا حدی شبيه آن است که از تپه‌ی مجاور ميدان جنگ بالا رفته و از ارتفاع (يعنی بعد سوم)، صحنه‌ی دوبعدی جنگ را نظاره کنيم. تنها در اين صورت است که به ارتباط پنهان موجود مابين بخش‌های مختلف عمليات پي برده و در خواهيم يافت که چگونه نيروهای به ظاهر مختلف درگير در صحنه جنگ، همگی به صورتی واحد و منسجم عمل می‌کنند.

طی سال‌های اخير، ابعاد باز هم بيشتری وارد صحنه‌ی اين نبرد شده‌اند. در سال ۱۹۸۴ انقلاب ابرريسمان‌ها به وقوع پيوست. نظريه‌ی ريسمان‌ها تمامي جهان را متشکل از ريسمان‌های انرژی مرتعش يک‌بعدی می‌داند که در ۹ بعد مکانی و يک بعد زمانی درحال ارتعاش هستند. سپس در سال ۱۹۹۵، «ادوارد ويتن» از مؤسسه‌ی مطالعات پيشرفته پرينستون امريکا و «پائول تاونسند» از دانشگاه کمبريج، بعد فضايی ديگری را نيز به نظريه‌ی ريسمان‌ها اضافه کرده و نظريه‌ی ديگری به نام نظريه‌ی M را ارائه کردند. اين نظريه در واقع تعميمي از نسخه‌های متفاوت نظريه‌ی ريسمان بود.

اما به رغم موفقيت‌های ارزنده‌ی نظريه‌ی M، اين نظريه نيز نتوانست تفاوت‌های موجود ميان نسخه‌های مختلف نظريه‌های ريسمان را حذف کند و دقيقاً در همين جا بود که سر و کله‌ی «کامران وفا» و نظريه‌اش يعني نظريه‌ی F پيدا شد، نظريه‌ای که با افزودن يک بعد جديد به نظريه‌ی M، تصويري ۱۲ بعدی را ازکائنات ارائه می‌دهد. نظريه‌پردازان مشتاقانه از نظريه‌ی F استقبال کردند، چراکه اين نظريه با بعد اضافی خود، مسائل باقيمانده در نظريه‌ی M را به خوبی حل می‌کند. اما از آنجايی که بعد اضافی مطرح‌شده در نظريه‌ی F، نه يک بعد مکانی بلکه يک بعد زمانی است، بنابراين نظريه‌ی مزبور، پيامدها و چالش‌های فلسفی عميقی را نيز با خود به ميدان آورده است.
«داف» در مورد دوازدهمين بعد زمان‌گونه‌ نظريه‌ی F می‌گويد؛ «اغلب نظريه‌پردازان از ايده‌ی وجود بيش از يک بعد زمانی در هستی چندان استقبال نمی‌کنند چراکه از درون چنين ايده‌ای، مسائل عجيب و غريب بسياری سر در خواهند آورد.» علت اين امر نيز کاملاً واضح است. اگر زمان همانند يک خط راست يک بعدی باشد، در اين صورت هر لحظه زمانی روی اين خط، يا قبل از يک لحظه مفروض ديگر قرار می‌گيرد يا بعد از آن. بدين ترتيب، آينده و گذشته به خوبی قابل تعريف خواهند بود و هر مجموعه‌ای از رويدادها الزاماً توالی مشخصی خواهند داشت. اما با افزودن يک بعد زمانی ديگر، خط زمان تبديل به صفحه‌ی زمان خواهد شد. اما در چنين جهانی چگونه می‌توان آينده و گذشته را مشخص کرد؟ چگونه می‌توان ارتباط مابين رويدادهای هستی را مشخص کرد، در حالی که نحوه‌ی ارتباط ميان علت و معلول اساساً برای ما ناشناخته خواهد بود؟
اما همانطور که «داف» هم می‌گويد، مسائل فيزيکی موجود در جهانی با بيش از يک بعد زمانی، حتی از اين هم پيچيده‌تر خواهند بود چراکه ابعاد زمانی، تفاوتی اساسی نسبت به ابعاد مکانی دارند؛ بعد زمان همواره به جای علامت مثبت، با علامت منفی در معادلات ظاهر می‌شود و به همين دليل هم با وارد کردن ابعاد زمانی جديد به معادله‌ها، سر و کله‌ی انواع و اقسام پديده‌های عجيب و غريب ديگر هم به طور خود به خودی در معادلات پيدا می‌شود، پديده‌هايی نظير امکان سفر با سرعتی فراتر از سرعت نور، فوتون‌هايی با جرم منفی، رويدادهايی که مجموع احتمال وقوع تمامی حالت‌های ممکن آنها به يک نمی‌رسد و…

 ابزارهای پيش پا افتاده

«داف» اذعان دارد ممکن است رياضياتی که ما اکنون برای توصيف جهان به کار می‌بريم، برای چنين کاری بيش از حد پيش پا افتاده باشد. بنابراين شايد روش‌ها و رهيافت‌های موجود برای تبيين رفتار جهانی با ابعاد زمانی چندگانه نيز بيش از حد ساده‌ انگارانه باشد اما به هر حال چون فعلاً ابزار ديگری جز همين ابزار موجود در اختيار نداريم، پس شايد ناگزير باشيم بعد زمانی جديد مطرح شده در نظريه‌ی «وفا» را صرفاً به عنوان يک ساز و کار رياضی صرف و نه نماينده‌ی يک هويت واقعی در نظر بگيريم. بدين ترتيب می‌توان بدون درگير شدن با پيامدهای فلسفی اين نظريه، از مزايای رياضی آن بهره‌مند شد.
در واقع بعد زمانی جديد مطرح شده توسط «وفا» ويژگی‌های آنچنان اسرارآميزی به جهان می‌دهد که فيزيکدان‌ها را از واقعی پنداشتن آن نگران می‌کند. به عنوان مثال، در حالی که در نظريه‌ی يازده بعدی M، اصل نسبيت اينشتين همچنان پابرجاست، در نظريه‌ی دوازده بعدی «وفا» اين اصل اعتبار خود را از دست می‌دهد (براساس اصل نسبيت، قوانين فيزيک برای تمامی ناظران يکسان است). همين امر يکی از عواملی است که فيزيکدان‌ها را در پذيرش بعد زمانی جديد دچار ترديد می‌کند. «فرانک ويلچک»از مؤسسه‌ی مطالعات پيشرفته پرينستون می‌گويد؛ «اين بعد جديد را نمی‌توان همانند يک بعد زمانی معمولی در نظر گرفت.» «داف» نيز با اين مسأله موافق است. او نيز در اين‌باره می‌گويد؛ «اگرچه اين بعد شباهت‌هايی با بعد زمان دارد اما نمی‌توان آن را به عنوان يک بعد زمانی اضافی واقعی پذيرفت.»
اما خود «کامران وفا» به گونه‌ای ديگر می‌انديشد. هرچند او نيز قبول دارد که بعد زمانی اضافی از بسياری جهات به يک ابزار رياضي انتزاعی شبيه‌تر است تا به يک هويت فيزيکی واقعی، ولی در عين حال معتقد است که چنين برداشتی در آينده‌ی نزديک تغيير خواهد کرد. «وفا» در اين‌باره می‌گويد؛ «در حال حاضر شايد به نظريه‌ی F صرفاً به عنوان يک سازوکار رياضی مناسب‌تر برای تبيين رفتار کائنات نگاه شود، اما فراموش نکنيم که در تاريخ فيزيک، همواره پشت سر ساز و کارهای رياضی جديد، پديده‌های فيزيکی جديدی نيز کشف شده‌اند.» «وفا» در اين مورد به عنوان مثال به کوارک‌ها اشاره می‌کند. تا همين چند دهه قبل به کوارک‌ها صرفاً به عنوان يک ساز و کار رياضی برای تبيين رفتار ذراتی نظير پروتون‌ها نگاه می‌شد اما امروزه اغلب فيزيکدان‌ها معتقدند که کوارک‌ها واقعاً در جهان وجود دارند. ممکن است مشابه چنين سرنوشتی در انتظار بعد زمانی جديد و اسرارآميز نظريه‌ی F نيز باشد.
اما اگر اين بعد زمانی اضافی واقعاً وجود داشته باشد پس چرا تاکنون متوجه حضور آن نشده‌ايم؟ يک احتمال آن است که اين بعد زمانی نيز همانند هفت بعد مکانی ناپيدای ديگر، آنچنان در خود پيچيده باشند که به چشم ما نمی‌آيند. اگر چنين باشد، تنها راه برای بازکردن اين بعد زمانی درهم پيچيده، متمرکز کردن مقدار عظيمی از انرژی در حجمی بسيار کوچک خواهد بود، کاری که در صورت موفقيت‌آميز بودن، نتايج شگرفي در پي خواهد داشت.
«وفا» در اين باره می‌گويد؛ «اگر بتوان اين بعد زمانی اضافی را از هم باز کرد، در آن صورت اشيا ديگر آن گونه که اکنون تصور می‌کنيم در زمان حرکت نخواهند کرد.» برای فهم بهتر اين مسأله به اين نکته توجه داشته باشيد که در بعد مکان می‌توان توأماً به جلو و عقب، بالا و پايين و چپ و راست حرکت کرد و اين در حالی است که در حالت معمول در بعد زمان تنها می‌توان به سوی آينده حرکت کرد. اما همانطور که «ويلچک» هم می‌گويد، چنانچه بيش از يک بعد زمانی وجود داشته باشد در آن صورت حتی می‌توان در درون يک لحظه نيز به مسافرتی ابدی پرداخت، سفری در امتداد عمود بر جهت سير زمان. بدين ترتيب اگر چنانچه از وقوع رويدادی ناگوار در آينده باخبر شديم می‌توان با حرکت در درون يک لحظه (به جای حرکت در امتداد لحظه‌ها و در جهت سير زمان)، از مواجه شدن با واقعه‌ی مزبور اجتناب کرد. البته بايد گفت که تمرکز انرژی آنچنان عظيمی که بتواند بعد زمانی اضافي و درهم پيچيده‌ی نظريه‌ی F را از هم باز کند، کاری فوق‌العاده دشوار خواهد بود. به همين دليل هم برخی فيزيکدان‌ها معتقدند تنها نقاطی در جهان ما که امکان ظهور آثار اين بعد اضافی در آنجاها وجود دارد، قلب سياهچاله‌ها هستند. در ضمن، بسياری از کيهان‌شناسان بر اين باورند که گذشته از جهان ما، جهان‌های بی‌شمار ديگری نيز در پهنه‌ی کائنات وجود دارند و هريک از اين جهان‌ها ممکن است تعداد ابعاد مکانی و زمانی کاملاً متفاوتی نسبت به جهان ما داشته باشند.
اما واقعاً زندگی در جهانی با ابعاد زمانی چندگانه چگونه خواهد بود؟ «ويلچک» می‌گويد؛ «پاسخ اين سوأل، بسيار حيرت‌انگيز است» و ادامه می‌دهد؛ «آيا وجود چنين جهانی غيرممکن است؟ نه، فکر نمی‌کنم چراکه می‌توان معادلات توصيف کننده‌ی چنين جهانی را نوشت. اما آيا پاسخ اين معادلات، جهانی شبيه به جهان ما خواهد بود؟ من که بعيد می‌دانم.»

منبع:  New Scientist, گابريل والکر

۱Nov .۱۹۹۷

مترجم: شهاب شعری‌مقدم