سفر در زمان ؛ نظریات و احتمالات آن

آیا سفر در زمان صرفا یک رویاست و به سناریو های علمی تخیلی اختصاص دارد؟ آیا می‌توان به گذشته سفر کرد و با رفتن به آینده از همه چیز خبر داشت؟ اساسا عبارت سفر در زمان در دنیای فیزیک، گذر به بعد چهارم معنا می‌شود.

سفر در زمان (Time Travel) شاید از لحاظ نظری، ممکن باشد؛ اما صرفا با یک سری فرمول‌نویسی و تفکرات خلاقانه قادر نخواهید بود به تکنولوژی ساخت ماشین زمان و یا یک کرم‌چاله دست پیدا کنید.

البته سفر در زمان چندان هم امر عجیبی نیست. اگر زمان را بصورت آهنگ تغییرات جهان معنا کنیم؛ باید گفت ما همواره در حال سفر کردن در زمان هستیم. پیر شدن ما مشهود‌ترین دلیل این مدعاست. درست است که ثانیه‌‌ها، دقایق، ساعت‌ها وغیره تا سال‌ها، ملاک ما برای سنجش زمان است، اما این به آن معنا نیست که زمان همواره به نرخی ثابت جریان دارد.

به بیان ساده‌تر، می‌توان گذر زمان را به جریان رود تشبیه کرد؛ همان‌گونه این جریان متناسب با عرض رود تغییراتی دارد، زمان نیز متناسب با پارامتر‌های مختلف آهنگ‌های متفاوتی دارد. به عبارت بهتر گذر زمان امری نسبی است.

سفر در زمان یک ایده جذاب از حرکت بین لحظه‌های مختلف در زمان است. درواقع همان طور که امکان حرکت دادن اشیا از نقطه‌ای به نقطه دیگر وجود دارد، به عنوان یک بعد، در زمان نیز می‌توان سفر کرد و به گذشته و یا آینده رفت!

یکی از پارامتر‌های گفته شده که برای بشریت هویدا شد، فضا است. لطفا بیایید از این نگاه که همه جهان در سه بعد طول، عرض و ارتفاع خلاصه می‌شود، خارج شوید. بعد مهم چهارم، زمان است.

هرگز نمی‌توان فضا را مستقل از زمان در نظر گرفت. از همین رو یک صفحه واحدی به نام صفحه فضا-زمان به وجود آمده است. هر رخدادی که در جهان به وقوع بپیوندد، باید به طور یکسان در فضا و زمان تغییر به وجود آورد.

جابه‌جایی میان دو نقطه متفاوت در زمان یا همان سفر در زمان، برای دهه‌هاست که از جمله متداول‌ترین موضوعات علمی تخیلی است. ایده اصلی بسیاری از این سناریو‌ها مانند “پیشتازان فضا”، “دکتر هو” و “بازگشت به آینده”، قرار گرفتن انسان در نوعی وسیله نقلیه و رسیدن به نقطه‌ای در گذشته و یا آینده ابوده ست.

برای یک ماجراجویی جدید در دنیای علم آماده‌اید؟ 

سفر در زمان ؛ حقیقت یا رویا!

با این حال واقعیت این امر بسیار پیچیده‌تر است. همه دانشمندان به ممکن بودن چنین فرآیندی معتقد نیستند. برخی حتی می‌گویند تصمیم گیری برای انجام چنین کاری می‌تواند کشنده باشد.

زمان چیست ؟

زمان بعدی است که همه رویداد‌ها از گذشته تا کنون و تا آینده در آن رخ می‌دهد. اکثریت قریب به اتفاق مردم فکر می‌کنند زمان، پارامتری ثابت است. اما آلبرت انیشتین، فیزیکدان مشهور، این تفکر را به چالش کشید و اثبات کرد که زمان امری نسبی است.

زمان بسته به رصدگران مختلف که با سرعت‌های مختلف در فضا حرکت می‌کنند، می‌توان متغیر باشد. برای انیشتین زمان، بعد چهارم است.

فضا به عنوان یک صفحه سه بعدی توصیف شده است و برای مختصات هر متحرکی، طول، عرض و ارتفاع در نظر گرفته می‌شود. زمان نیز بعد دیگری است که همواره رو به جلو حرکت می‌کند.

سقر در زمان شاید از نظر تئوری امکان پذیر باشد، اما تکنولوژی امروزه ما ظرفیت چنین امری را ندارد.

نظریه نسبیت خاص انیشتین می‌گوید زمان می‌تواند به نسبت سرعت حرکت شما در مقابل چیز‌های دیگر، کندتر و یا تند‌تر تغییر کند. مشهورترین مثال این مفهوم، مسئله دوقلو‌ها است.

اگر یکی از دوقلوها سوار بر یک فضاپیما شود و به مدت ۱۰ سال با سرعت نور به سفر برود و سپس به خانه بازگردد. دیگری، او را به میزان همان ۱۰ سال مسن‌تر می‌بیند، ولی فردی که در خانه مانده، کاملا پیر شده است. همچنین بر اساس نطریه نسبت عام انیشتین امکان خم کردن زمان نیز وجود دارد.

این صفحه چهاربعدی را اصطلاحا فضا-زمان می‌نامند. اگرهرچیز دارای جرم در بخشی از این صفحه قرار بگیرد، منجر به ایجاد انحنا و یا خمیدگی در آن می‌شود. خمیدگی فضا زمان منجر می‌شود اجرام در مسیر‌هایی دایره‌ای حرکت داشته باشند. همچنین انحنای ایجاد شده در فضا-زمان همان چیزی است که تحت عنوان نیروی رانش از آن یاد می‌کنیم.

هر دو نظریه نسبیت عام و خاص توسط ماهواره‌های سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPS)، که از نظر زمانی بسیار دقیق هستند، مورد تایید قرار گرفته‌اند. اثرات جاذبه و نیز سرعت بالای ماهواره‌های بالای زمین، نسبت به ناظران روی آن، منجر شده‌ است که حدود ۳۸ میکروثانیه تفاوت در هر روز میان زمان واقعی و زمانی که از روی ساعت می‌خوانیم، داشته باشیم.

به یک معنا می‌توان این اثر را، اتساع زمان نامید. بوسیله این اثر فضانوردان قادر به سفر در زمان هستند، به عبارتی هنگامی که آنها به زمین بازمی‌گردند، نسبت به دوقلوی دیگرانشان، به میزان خیلی اندک جوان تر هستند.

سفر در زمان بوسیله کرم چاله

وجود کر‌م‌چاله ها از دید نظریه نسبیت عام اینشتین امکان پذیر است، زیرا خمیدگی فضا-زمان را ویژگی هر جرمی می‌داند.  برای درک بهتر فضا-زمان، تصور کنید جسمی بزرگ را در مرکز یک ترامپولین قرار می‌دهیم. این جسم به سمت درون پارچه نیرو وارد می‌کند و منجر به ایجاد یک گودی در آن می‌شود.

در این حالت اگر یک سنگ را در لبه‌های ترامپولین قرار دهیم، بصورت مارپچی به درون و به سمت جسم بزرگ حرکت می‌کند. این نمایی ساده از صفحه فضا زمان است، منتهی در چهاربعد.

باید دانست که صفحه فضا زمان، صفحه‌ای چهاربعدی است. حالا تصور کنید این صفحه را تا کنیم و یک فضا زمان دولایه داشته باشیم، سپس دو جسم مشابه همان جسم بزرگی را که در ترامپولین قرار داده بودیم، در دو طرف این صفحه دولایه و در مقابل یکدیگر قرار دهیم.

انحنای ایجاد شده توسط این دو سرانجام به به هم متصل شده و ساختاری ایجاد می‌شود که به آن کرمچاله می‌گوییم. تمام این آمد و شدها از نظر فیزیکی در نظریه نسبیت‌ عام قابل اثبات است.

در واقع کرم چاله ها تونل‌هایی هستند که میان دو نقطه زمانی مختلفی ارتباط برقرار می‌کند و انتقال اطلاعات و اجرام را ممکن می‌سازد. با این حال دور از ذهن نیست که یک پارامتر فیزیکی و یا کوانتومی ناشناخته منجر به عدم تشکیل کرمچاله‌ها شود. همچنین مطالعات نشان داده‌اند که کرم‌چاله‌ها ساختار‌هایی بسیار ناپایدار هستند.

کرمچاله‌ها رابطی هستند میان دو بخش از یک انحنای عظیم فضا زمان.

آنطور که استیون هاوکینگ، فیزیکدان مشهور انگلیسی، می‌گوید کرمچاله‌ها احتمالا در کف کوانتومی (کوچکترین مکان عالم) دائما به وجود می‌آیند و از بین می‌روند و زمان‌ها و مکان‌های بیشماری را به یکدیگر مرتبط می‌سازد. این درست همانند بازی مار و پله است.

نسبیت‌عام همچنین سناریو‌هایی را مطرح می‌کند که برای سفرکنندگان در زمان امکان بازگشت به گذشته را مهیا می‌سازد، اما بر اساس گفته‌های ناسا، معادله‌های چنین فرآیندی مدت‌هاست اذهان فیزیکدانان را به چالش کشیده است.

یکی از این احتمالات زمانی محقق می‌شود که بتوان با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کرد؛ یعنی حرکتی با سرعت بیش از ۲۹۹،۷۹۲ کیلومتر در ساعت که در خلا وجود دارد. با این حال معادله انیشتین می‌گوید، حرکت با سرعت نور برای یک جسم مستلزم داشتن جرمی بی‌نهایت و عدم وجود طول (L=0) در آن است.

با اینکه گویا چنین فرآیندی از نظر فیزیک غیرممکن است، اما عده‌ای از دانشمندان با بسط دادن این معادله به ممکن پذیر بودن حرکت با سرعت بیشتر از نور اذعان کرده‌اند.

طبق گفته ناسا، امکان دسترسی به چنین سرعتی، منوط به ایجاد کرمچاله‌هایی در حداقل دو نقطه از فضا-زمان است. بر اساس معادلات انیشتین کرمچاله‌ها بسیار ناپایدار هستند و سریعا دچار فروپاشی می‌شوند. حتی اگر چنین چیزی رخ ندهد، کرمچاله‌ها صرفا برای عبور ذرات بسیار ریز مناسب هستند. با این حال دانشمندان تا کنون موفق به رصد هیچگونه کرم‌چاله‌ای نشده‌اند. به علاوه به نظر نمی‌رسد تکنولوژی لازم برای ایجاد یک کرمچاله در فضازمان به این زودی‌ها در دسترس باشند.

نظریات دیگر سفر در زمان

در حالی که بر اساس نظریات انیشتین امکان سفر در زمان بسیار پایین است، گروه‌های دیگری با ارائه راهکار‌هایی، در تلاش هستند تا برای سفر به گذشته و آینده به راه‌حل‌هایی دست پیدا کنند.

نظریه استوانه‌ بی‌نهایت

فرانک تیپلر، فیزیکدان و ستاره شناس آمریکایی، مکانیزمی را پیشنهاد کرد که در آن اگر ماده‌ای با جرم بیش از ۱۰ برابر خورشید را به شکل استوانه‌ای طویل و چگال درآید، سپس این استوانه را با نرخ میلیاردها بار در دقیقه به چرخش بیاندازیم، در نهایت یک حلقه به دور این جرم ایجاد خواهد شد.

حال کافی است بتوانید بوسیله یک فضاپیما در مداری به دور این جرم گردش کنیم و تا حد امکان به آن نزدیک شویم (تا آنجا که انحنای نقطه‌ای از فضا-زمان که در آن قرار گرفته‌ایم، بیشترین مقدار را داشته باشد). در این صورت پس از چند دور گردش به دور جرم و بازگشت به زمین، خواهیم دید که در زمان به عقب بازگشته‌ایم.

این روش با محدودیت‌هایی نیز مواجه است؛ از جمله آنکه برای عملکرد کامل نیاز است تا طول جسم در حال گردش بی‌نهایت باشد.

مسافرت در زمان بوسیله سیاه‌چاله

احتمال دیگری که مطرح است فرستادن یک فضاپیما با سرعت زیاد به اطراف یک سیاهچاله‌ است. یا راه دیگر آنکه چنین ساختار عظیم و چرخنده‌ای را به طور مصنوعی بسازیم.

آلبرت اینشتین نخستین کسی بود که در سال ۱۹۱۶ در تئوری نسبیت عام، وجود سیاهچاله‌ها را پیش‌بینی کرد. نخستین بار در سال ۱۹۶۷ جان ویلر، فضانورد، از واژه سیاهچاله استفاده کرد. همچنین اولین نمونه سیاه‌چاله کشف شده به سال ۱۹۷۱ بازمی‌گردد.

استیون هاوکینگ در سال ۲۰۱۰ در دیلی میل نوشت:

زمانی که فضاپیما به دور سیاهچاله‌ای می‌چرخد. خود سازه و خدمه درون آن در مقایسه با افراد دور از سیاهچاله، ۵۰ درصد زمان کمتری را سپری می‌کنند. به عبارت دیگر، تصور کنید به مدت پنج سال به دور سیاهچاله‌ای گردش کرده‌اید و به زمین بازگشته‌اید. خواهید دید که آنجا ۱۰ سال زمان سپری شده است و افراد ساکن زمین ۵ سال به نسبت شما بیشتر پیر شده‌اند.

تصویری هنری از یک کهکشان محدب با نام NGC 4526 (در فهرست عمومی جدید) که احتمالا سیاهچاله‌ای بسیار سنگین درهسته دیسک آن نشسته است. جرم این سیاهچاله ۴۵۰ میلیارد بار از خورشید بیشتر است. (اعتبار: NASA ‎/ Caltech)

اما باید توجه داشت که خدمه در مدت این ۵ سال تماما با سرعت نور در حال گردش‌اند. همچنین مطالعات محدودیت دیگری را آشکار کرده‌اند: اگر چنین ماشین زمان (Time Machine) ساخته شود به احتمال زیاد قبل از آنکه موفق شود به دور سیاهچاله بگردد از هم متلاشی خواهد شد.

سفر در زمان بوسیله ریسمان‌های کیهانی

نظریه دیگری که پتانسیل سفر در زمان را دارد، ایده ریسمان یا رشته کیهانی است؛ اجسام ریسمانی شکل و نازک تشکیل شده از انرژی و باقی مانده از جهان نخستین، که به اعتقاد برخی دانشمندان در سراسر کائنات گسترش یافته‌اند.

پیش بینی‌ها حاکی از آن است که این ریسمان‌ها جرم بسیار زیادی دارند؛ به این ترتیب قابلیت ایجاد انحنا در فضا-زمان اطراف خود را دارند.

دانشمندان می‌گویند ریسمان‌های کیهانی، بی‌نهایت هستند و یا شاید بصورت حلقه‌های بدون پایان درآمده باشند. تصور کنید دو عدد از این رشته‌های کیهانی به طور موازی به یکدیگر نزدیک شوند. در این حالت فضا زمان اطراف آنها می‌تواند به شدت چار خمیدگی شود و منجر به ایجاد نوعی پیکربندی خاص شده که فرآیند سفر در زمان را ممکن سازند.

ماشین‌ زمان‌ ؛ فراتر از هالیوود

به طور کلی تصورات بر آن است که سفر در زمان، خواه مسافرت به گذشته و یا سفر به آینده، نیازمند وسیله‌ای است که به آن ماشین زمان اطلاق می‌شود. تحقیقات علمی در مورد ماشین زمان اغلب به فرضیه‌ای واحد ختم می‌شود؛ ایجاد یک خمیدگی بسیار شدید در فضا زمان به طوری که خطوط زمانی به روی یکدیگر برگردند و یک حلقه را ایجاد کنند. در اصطلاح فنی به چنین ساختاری، انحنای بسته زمانی گفته می‌شود.

برای رسیدن به این دستاورد، ماشین‌های زمان به شکل نامانوسی از ماده نیازمند‌ند که “چگالی منفی انرژی” خوانده می‌شود. این ماده عجیب، خواص عجیب و غریبی نیز دارد. مثلا در اثر فشار درقیاس با مواد معمولی، در جهت مخالف حرکت می‌کنند. چنین ماده‌ای از نظر تئوری می‌تواند وجود داشته باشد، اما در صورت وجود هم برای ساخت یک ماشین زمان بسیار کوچک خواهند بود.

تحقیقات علمی مرتبط با سفر در زمان نشان می‌دهد وجود ماشین زمان بدون داشتن چنین ماده‌ نامانوسی نیز ممکن است؛ کافی است در یک جسم کروی شکل از ماده‌ای معمولی، حفره‌ای از خلا به شکل یک دونات ایجاد کنیم. در درون خلاء ایجاد شده فضا زمان می‌تواند با متمرکز کردن میدان‌های گرانشی دچار خمیدگی شده و یک انحنای بسته زمانی را بوجود آورد.

مکانیزم سفر به عقب در زمان در این حالت اینگونه است که:

مسافر مذکور باید به سمت حلقه ایجاد شده با سرعت حرکت کند؛ هرچه از مرز‌های بیشتری عبور می‌کند، بیشتر به عقب می‌رود. با این حال، این نظریه موانع زیادی نیز دارد. میدان مغناطیسی مورد نیاز برای ایجاد یک انحنای بسته زمانی باید بسیار قوی باشد و هدایت کردن چنین میدانی در جهت مطلوب ما نیز، فرآیندی بسیار دقیق را می‌طلبد.

سفر به گذشته

در نظریه نسبیت عام انیشتین چیزی نمی‌تواند مانع سفر به گذشته شود، اما این موضوع قانون علیت را نقض می‌کند. قانون علت و معلول به ما می‌گوید هیچگاه ممکن نیست معلول قبل از علت رخ بدهد. همچنین تمامی رویداد‌های موجود در عالم ما به صورت سلسله‌وار و پی در پی اتفاق می‌افتند.

لحظه‌ای تصور کنید فردی قبل از آنکه چاقوی یک قاتل در بدنش فرو برود؛ بر اثر جراحات وارده کشته شود! این یک مثال بسیار ملموس از نقض علیت است. به همین دلیل بسیاری از دانشمندان سفر به گذشته را ناممکن می‌دانند.

برخی از محققان نیز معتقد هستند که مسافرت در زمان تنها با دستیابی به تکنولوژی حرکت فراتر از سرعت نور ممکن می‌شود. می‌دانیم که با رسیدن به سرعت نور، زمان برای ما به کندی می‌گذرد. حال سوال اینجاست؛ آیا اگر با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کنیم، امکان سفر به گذشته فراهم می‌شود یا خیر؟

دو نکته را باید در نظر بگیریم:

هرچه سرعت جسمی به سرعت نور نزدیک شود به جرم نسبی آن افزوده می‌شود؛ تا آنجا که اگر با سرعت نور حرکت کند، جرم آن بی‌نهایت خواهد بود.

هرگز نمی‌توان به جسمی که بی‌نهایت جرم دارد، شتاب القا کرد.

فناوری‌های شتاب‌دادن یا واپیچش سرعت در تئوری، می‌تواند با حرکت‌دادن حبابی از فضا-زمان در میان عالم، حد جهانی سرعت را پشت سر بگذارد. اما انجام چنین کاری هزینه‌ها و انرژی سرسام‌آوری را خواستار است.

سفر به آینده

ماهواره‌های مکان‌یاب جهانی (GPS) به طور روزانه، ‌سه‌ میلیاردم ثانیه در زمان جلو می‌روند. این مهم با بهره‌گرفتن از فضا-زمان به وقوع می‌پیوندد. این ماهواره‌ها بدلیل فشار کمتری که به نسبت اشیای سطح زمین از جانب مرکز جرم سیاره احساس می‌کنند؛ زمان در آنجا به مقدار بسیار اندکی سریع‌تر حرکت می‌کند.

به این پدیده اتساع گرانشی زمان می‌گوییم. اساس آن نظریه نسبیت عام انیشتین است؛ گرانش، به عنوان انحنایی در فضا-زمان این توانایی را دارد که در صورت کلان‌جرم بودن یک جسم، حتی نور را نیز دچار انحراف کند. به عنوان مثال ستاره‌های بسیار پرجرم، مسیر پرتو نوری که به سمتشان می‌آید را از حالت خط راست به منحنی تبدیل می‌کنند. به این پدیده همگرایی گرانشی اطلاق می‌شود.

از آنجایی که فضا و زمان نمی‌توانند مستقل از یکدیگر تغییر کنند، هر پدیده‌ای، ازجمله گرانش که بتواند فضا را تحت تاثیر قرار دهد، زمان را نیز بر هم می‌ریزد. تغییرات کوچکی که در گذر زمان رخ می‌دهند چندان قابل توجه نیستند، اما اگر این تغییرات در حول اجسام پرجرم رخ دهد، تفاوت را احساس خواهیم کرد.

به عنوان مثال سیاهچاله‌ قوس A در مرکز کهکشان راه شیری، در نقطه‌ای موسوم به تکینگی(singularity)، آرام گرفته است و ۴ میلیون بار جرم بیشتری نسبت به خورشید دارد. اگر ما قادر باشیم بدون سقوط به درون این سیاهچاله، چند مرتبه‌ای به دور آن گردش کنیم، به میزان یک ‌دوم از زمانی که در زمین سپری می‌شود را تجربه و یا به عبارتی به آینده سفر خواهیم کرد.

نکته شایان توجه اینجاست که هرچه با سرعتی نزدیکتر به سرعت نور حرکت کنیم، گذر زمان برای ما کندتر خواهد شد. اگر چنین امکانی بوسیله یک فضاپیما محقق شود، عقربه‌های ساعت درون این فضاپیما کندتر از عقربه‌های یک ساعت معمولی حرکت خواهند کرد.

البته خدمه این فضاپیما چنین تفاوتی را در طول سفر لمس نمی‌کنند. محسابات نشان داده‌ است، اگر چنین وسیله‌ای بتواند ۹۹۹ بار سریع‌تر از نور حرکت کند، به ازای هر یک سالی که خدمه آن تجریه می‌کنند، ۲۲۳ سال زمان در سطح زمین سپری خواهد شد.

پارادوکس‌های زمانی

در کنار محدودیت‌هایی که فیزیک برای سفر در زمان ایجاد می‌کند، سفر‌ در زمان ممکن است با برخی از موقعیت‌های خاص همراه باشد. معروف‌ترین مثال این قضیه پارادوکس مرگ پدربزرگ است.

تصور کنید فردی در زمان به عقب رفته و پدر و یا پدربزرگ خود را می‌کشد (همان ایده اصلی فیلم ترمیناتور) یا به نحوی دیگر در خویشاوندی خود دخالت می‌کند. حال وجود او در آینده یا به طور کلی منتفی است و یا دستخوش تغییراتی شده است. برخی فیزیکدانان برای رفع این تناقض پای جهان‌های موازی را به پیش می‌کشند.

آنها می گویند در این صورت شما کماکان در این جهان متولد خواهید شد، ولی در جهان موازی دیگری این اتفاق رخ نخواهد داد. برخی دیگر نیز می‌گویند فوتون‌های تشکیل دهنده نور چنان در زمانبندی‌ها، استواری ایجاد کرده‌اند که امکان خودکشی را از شما سلب می‌کنند، به عبارت دیگر در زمانی غیر از زمان خودمان قادر به دخالت در خویشاوندی خود نیستیم.

سایر محققان اما به طور کلی سفر در زمان را بدون توجه به روش انجام آن و بواسطه محسبات ریاضی، غیرممکن می‌دانند.  همچنین ممکن است انسان‌ها توان مقاومت در برابر سفر در زمان را نداشته باشند.

جف تولاکسن، استاد فیزیک دانشگاه چپمن، در سال ۲۰۱۲، این ایده را مطرح کرد و بیان داشت که حرکت با سرعتی نزدیک به سرعت نور ممکن است به صورت یک سانتریفیوژ رخ دهد. چنین چیزی برای انسان  بسیار مرگبار است. درست مانند استفاده از گرانش.

اگر شما بخواهید اتساع زمان را تجریه کنید، بایستی بر روی یک ستاره نوترونی بایستید. در این جالت نیرو‌هایی که به شما وارد می‌شود، تکه‌ تکه‌تان خواهد کرد.