سهم الزمن

ينشأ سهم ذهني ذو صلة لأن المرء يشعر بأن إدراكه حركة مستمرة من الماضي المعروف إلى المستقبل المجهول. لهذه الظاهرة جانبان: الذاكرة (نتذكر الماضي ولا نتذكر المستقبل) والإرادة ( نشعر بأننا قادرون على التأثير في المستقبل لا في الماضي). هذان الجانبان هما نتيجة لسهم الزمن السببي: أحداث الماضي (وليس أحداث المستقبل) هي سبب ذكرياتنا الحالية، حيث تتشكل المزيد من الارتباطات بين العالم الخارجي ودماغنا (انظر الارتباطات وسهم الزمن )؛ وإرادتنا وأفعالنا الحالية هي أسباب أحداث المستقبل. يُعتقد أن زيادة الإنتروبيا مرتبطة بزيادة كل من الارتباطات بين النظام ومحيطه ^{[ 4 ]} والتعقيد الكلي، وفقًا لتعريف مناسب ^{[ 5 ]} ؛ وبالتالي، يزداد كل ذلك مع مرور الوقت.

يرتبط الماضي والمستقبل نفسيًا بمفاهيم إضافية. فاللغة الإنجليزية ، إلى جانب لغات أخرى، تميل إلى ربط الماضي بكلمة "خلف" والمستقبل بكلمة "أمام"، من خلال تعابير مثل "نتطلع إلى الترحيب بكم"، و"نستذكر الأيام الخوالي"، و"أن نكون متقدمين بسنوات". مع ذلك، فإن هذا الربط بين "خلف ⇔ ماضي" و"أمام ⇔ مستقبل" محدد ثقافيًا. ^{[ 6 ]} فعلى سبيل المثال، تربط لغة الأيمارا بين "أمام ⇔ ماضي" و"خلف ⇔ مستقبل" من حيث المصطلحات والإيماءات، ما يشير إلى أن الماضي يُلاحظ وأن المستقبل غير مُلاحظ. ^{[ 7 ] [ 8 ]} وبالمثل، فإن المصطلح الصيني "後天" ("hòutiān") الذي يعني "اليوم الذي يلي الغد" يعني حرفيًا "بعد (أو خلف) اليوم"، بينما "前天" ("qiántiān") الذي يعني حرفيًا "قبل (أو أمام) اليوم"، ويشير المتحدثون باللغة الصينية تلقائيًا إلى الأمام للدلالة على الماضي وإلى الخلف للدلالة على المستقبل، على الرغم من وجود نتائج متضاربة حول ما إذا كانوا يدركون أن الأنا تقع أمام الماضي أو خلفه. ^{[ 9 ] [ 10 ]} لا توجد لغات تضع الماضي والمستقبل على محور يمين-يسار (على سبيل المثال، لا يوجد تعبير في اللغة الإنجليزية مثل *the meeting was moved to the left )، على الرغم من أن المتحدثين باللغة الإنجليزية على الأقل يربطون الماضي باليسار والمستقبل باليمين، وهو ما يبدو أنه يعود إلى نظام الكتابة من اليسار إلى اليمين. ^{[ 6 ]}

تُترجم كلمتا "أمس" و"غدًا" إلى الكلمة نفسها في اللغة الهندية : कल ("kal")، ^{[ 11 ]} وتعني "بعد يوم واحد من اليوم". ^{[ 12 ]} ويُحل هذا الغموض من خلال زمن الفعل. تُستخدم كلمة परसों ("parson") للدلالة على كلٍ من "قبل أمس" و"بعد غد"، أو "بعد يومين من اليوم". ^{[ 13 ]}

أما الجانب الآخر من مرور الزمن نفسياً فيكمن في مجال الإرادة والفعل. فنحن نخطط وننفذ في كثير من الأحيان أفعالاً تهدف إلى التأثير على مسار الأحداث في المستقبل. من الرباعيات :

يكتب الإصبع المتحرك، وبعد أن يكتب، يمضي قدماً: لا تقوى تقواك ولا ذكاؤك على إعادته لمحو نصف سطر، ولا تمحو دموعك كلمة واحدة منه.     

— عمر الخيام (ترجمة إدوارد فيتزجيرالد ).

في يونيو 2022، أفاد الباحثون ^{[ 14 ]} في مجلة Physical Review Letters أنهم وجدوا أن السلمندرات كانت تُظهر استجابات غير بديهية لسهم الزمن في كيفية إدراك عيونها للمحفزات المختلفة.

يُشير سهم الزمن إلى "اتجاهه الأحادي" أو "عدم تناظره". ويُحدد القانون الثاني للديناميكا الحرارية سهم الزمن الديناميكي الحراري ، إذ ينص على أن الإنتروبيا في نظام معزول تميل إلى الزيادة مع مرور الوقت. ويمكن اعتبار الإنتروبيا مقياسًا للفوضى المجهرية؛ وبالتالي، يُشير القانون الثاني إلى أن الزمن غير متناظر بالنسبة لمقدار النظام في نظام معزول: فكلما تقدم النظام عبر الزمن، ازداد اضطرابه الإحصائي. ويمكن استخدام هذا التباين تجريبيًا للتمييز بين المستقبل والماضي، مع العلم أن قياس الإنتروبيا لا يُقيس الزمن بدقة. كذلك، في نظام مفتوح، قد تنخفض الإنتروبيا مع مرور الوقت. ومن التجارب الفكرية المثيرة للاهتمام التساؤل: "إذا زادت الإنتروبيا في نظام مفتوح، فهل سينعكس اتجاه سهم الزمن ويتجه نحو الماضي؟"

كتب الفيزيائي البريطاني السير ألفريد برايان بيبارد : "لا يوجد بالتالي أي مبرر للرأي، الذي يُردد غالبًا باستخفاف، بأن القانون الثاني للديناميكا الحرارية صحيح إحصائيًا فقط، بمعنى أن انتهاكات مجهرية تحدث بشكل متكرر، ولكن لا تحدث أبدًا انتهاكات ذات حجم خطير. على العكس من ذلك، لم يُقدم أي دليل على الإطلاق على أن القانون الثاني ينهار تحت أي ظرف من الظروف." ^{[ 15 ]} ومع ذلك، هناك عدد من المفارقات المتعلقة بانتهاك القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، إحداها بسبب نظرية بوانكاريه للتكرار .

يبدو أن سهم الزمن هذا مرتبط بجميع أسهم الزمن الأخرى، ويمكن القول إنه يكمن وراء بعضها، باستثناء سهم الزمن الضعيف .

يتناول كتاب هارولد بلوم الصادر عام 1951 بعنوان " سهم الزمن والتطور" ^{[ 16 ]} "العلاقة بين سهم الزمن (القانون الثاني للديناميكا الحرارية) والتطور العضوي ". يستكشف هذا النص المؤثر " عدم الانعكاس والاتجاه في التطور، والنظام ، والإنتروبيا السالبة ، والتطور ". ^{[ 17 ]} ويجادل بلوم بأن التطور اتبع أنماطًا محددة مسبقًا بفعل الطبيعة غير العضوية للأرض وعملياتها الديناميكية الحرارية. ^{[ 18 ]}

يشير سهم الزمن الكوني إلى اتجاه تمدد الكون. وقد يكون مرتبطًا بسهم الديناميكا الحرارية ، حيث يتجه الكون نحو الموت الحراري (البرودة العظمى) مع انخفاض كمية الطاقة الحرة الديناميكية الحرارية إلى حدٍّ ضئيل. أو قد يكون هذا السهم نتاجًا لموقعنا في تطور الكون (انظر التحيز الأنثروبي )، حيث ينعكس اتجاهه مع عودة الجاذبية لسحب كل شيء إلى الانكماش العظيم .

إذا كان هذا السهم الزمني مرتبطًا بأسهم زمنية أخرى، فإن المستقبل، بحكم التعريف، هو الاتجاه الذي يتسع فيه الكون. وبالتالي، يتوسع الكون - لا ينكمش - بحكم التعريف.

يُعتقد أن السهم الديناميكي الحراري للزمن والقانون الثاني للديناميكا الحرارية هما نتيجة للظروف الأولية في الكون المبكر. ^{[ 19 ]} وبالتالي، فهما في نهاية المطاف نتاج للبنية الكونية.

تنتشر الموجات، من موجات الراديو إلى الموجات الصوتية وصولًا إلى تلك التي تتشكل على سطح بركة ماء عند إلقاء حجر، من مصدرها إلى الخارج، على الرغم من أن معادلات الموجات تسمح بحلول الموجات المتقاربة والإشعاعية على حد سواء. وقد عُكس هذا الاتجاه في تجارب دقيقة أنتجت موجات متقاربة، ^{[ 20 ]} لذا فمن المرجح أن هذا الاتجاه يتبع الاتجاه الديناميكي الحراري، حيث يتطلب استيفاء شروط إنتاج موجة متقاربة ترتيبًا أكثر دقة من شروط إنتاج موجة إشعاعية. بعبارة أخرى، فإن احتمالية الظروف الأولية التي تُنتج موجة متقاربة أقل بكثير من احتمالية الظروف الأولية التي تُنتج موجة إشعاعية. في الواقع، عادةً ما تزيد الموجة الإشعاعية من الإنتروبيا، بينما تُقللها الموجة المتقاربة، مما يجعل الأخيرة متناقضة مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية في الظروف العادية.

السبب يسبق النتيجة: فالحدث السببي يقع قبل الحدث الذي يسببه أو يؤثر فيه. فالولادة، على سبيل المثال، تأتي بعد حمل ناجح، وليس العكس. وهكذا، فإن السببية مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بمسار الزمن .

تكمن إحدى المشكلات المعرفية في استخدام السببية كمؤشر زمني في أنه، كما أكد ديفيد هيوم ، لا يمكن إدراك العلاقة السببية بحد ذاتها ؛ إذ لا يُدرك المرء سوى تسلسل الأحداث. علاوة على ذلك، من الصعب، بشكلٍ مُثير للدهشة، تقديم تفسير واضح لما تعنيه مصطلحات "السبب" و"النتيجة" حقًا، أو تحديد الأحداث التي تُشير إليها. مع ذلك، يبدو جليًا أن إسقاط كوب من الماء يُعد سببًا، بينما يُعد تحطم الكوب لاحقًا وانسكاب الماء نتيجة.

من الناحية الفيزيائية، يُعتقد أن الارتباطات بين النظام ومحيطه تزداد مع زيادة الإنتروبيا، وقد ثبت أنها مكافئة لها في حالة مبسطة لنظام محدود يتفاعل مع البيئة. ^{[ 4 ]} إن افتراض انخفاض الإنتروبيا الأولية يُعادل في الواقع افتراض عدم وجود ارتباطات أولية في النظام؛ وبالتالي، لا يمكن إنشاء الارتباطات إلا مع تقدمنا ​​في الزمن، وليس عكسه. إن التحكم في المستقبل ، أو التسبب في حدوث شيء ما، يُنشئ ارتباطات بين الفاعل والنتيجة، ^{[ 21 ]} ولذلك فإن العلاقة بين السبب والنتيجة هي نتيجة لسهم الزمن الديناميكي الحراري ، وهو نتيجة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. ^{[ 22 ]} في الواقع، في المثال السابق لسقوط الكوب، تتميز الشروط الأولية بترتيب عالٍ وإنتروبيا منخفضة، بينما تتميز الحالة النهائية بارتباطات عالية بين أجزاء النظام المتباعدة نسبيًا - قطع الكوب المحطمة، بالإضافة إلى الماء المسكوب، والجسم الذي تسبب في سقوط الكوب.

يخضع التطور الكمي لمعادلات الحركة المتناظرة زمنياً (مثل معادلة شرودنغر في التقريب غير النسبي)، وانهيار الدالة الموجية ، وهي عملية لا رجعة فيها زمنياً، ولا تكون حقيقية فيزيائياً إلا في تفسيرات الانهيار الصريحة لنظرية الكم، مثل نموذج ديوسي-بينروز ، أو نظرية غيراردي-ريميني-ويبر ، أو التفسير التفاعلي ، الذي يستخدم نظرية الفعل المباشر أو "الممتص" للحقول.

يفترض النهج التقليدي أن التفكك الكمومي يفسر اللاعكوسية والقانون الثاني للديناميكا الحرارية، وبالتالي يدعي اشتقاق سهم الزمن الكمومي من سهم الزمن الديناميكي الحراري ؛ إلا أن هذا الأمر محل جدل، إذ يُفترض أن الديناميكيات الأساسية وحدوية وبالتالي قابلة للانعكاس. ^{[ 23 ]} ويُعرّف التفكك الكمومي تقليديًا بأنه بعد أي تشتت للجسيمات أو تفاعل بين نظامين كبيرين، تكون الأطوار النسبية للنظامين في البداية منتظمة، لكن التفاعلات اللاحقة (مع جسيمات أو أنظمة إضافية) تجعلها أقل انتظامًا، ما يؤدي إلى تفكك النظامين. وبالتالي، يُعد التفكك الكمومي شكلًا من أشكال زيادة الفوضى المجهرية - باختصار، يزيد التفكك الكمومي من الإنتروبيا. ولا يمكن لنظامين متفككين كموميًا التفاعل عبر التراكب الكمومي ، إلا إذا أصبحا متماسكين مرة أخرى، وهو أمر مستحيل عادةً، وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. ^{[ 24 ]} بلغة ميكانيكا الكم العلائقية، يصبح المراقب متشابكًا مع الحالة المقاسة، حيث يزيد هذا التشابك من الإنتروبيا. وكما ذكر سيث لويد ، "سهم الزمن هو سهم تزايد الارتباطات". ^{[ 25 ] [ 26 ]} 

مع ذلك، في ظروف خاصة، يمكن تهيئة شروط ابتدائية تؤدي إلى انخفاض في التفكك الكمومي والإنتروبيا. وقد أُثبت ذلك تجريبيًا عام 2019، عندما أبلغ فريق من العلماء الروس عن انعكاس سهم الزمن الكمومي على حاسوب كمومي من شركة IBM ، في تجربة تدعم فهم سهم الزمن الكمومي باعتباره منبثقًا من سهم الزمن الديناميكي الحراري. ^{[ 27 ]} من خلال مراقبة حالة الحاسوب الكمومي المكون من كيوبتين، ثم ثلاثة كيوبتات فائقة التوصيل ، وجدوا أنه في 85% من الحالات، عاد الحاسوب ذو الكيوبتين إلى حالته الابتدائية. ^{[ 28 ]} وقد تم انعكاس الحالة بواسطة برنامج خاص، على غرار تقلبات الخلفية الميكروية العشوائية في حالة الإلكترون . [ ^{28 ] مع} ذلك، ووفقًا للتقديرات، على مدار عمر الكون (حوالي 14 مليار سنة)، لن يحدث مثل هذا الانعكاس لحالة الإلكترون إلا مرة واحدة، لمدة 0.06 نانوثانية . ^{[ 28 ]} أدت تجربة العلماء إلى إمكانية وجود خوارزمية كمومية تعكس حالة كمومية معينة من خلال الاقتران المعقد للحالة. ^{[ 27 ]}  

تجدر الإشارة إلى أن التفكك الكمومي لا يسمح إلا بظهور انهيار الموجة الكمومية (استنادًا إلى تلاشي العناصر القطرية لمصفوفة الكثافة)؛ ولا يزال الجدل قائمًا حول ما إذا كان الانهيار نفسه يحدث فعليًا أم أنه مجرد ظاهري لا أكثر. ورغم أن نظرية التفكك الكمومي مقبولة على نطاق واسع ومدعومة تجريبيًا على مستوى مصفوفة الكثافة المطبقة، إلا أن عجز النظرية التقليدية عن التنبؤ بنتائج القياس الفعلية عبر الانهيار غير الوحدوي لا يزال قائمًا. أي أن مصفوفة الكثافة المُستمدة من التفكك الوحدوي القياسي (بدون انهيار فعلي) هي مزيج غير مناسب لا يمكن تفسيره على أنه يعكس نتيجة قياس محددة. وبالتالي، لا تزال مسألة اتجاه الزمن تُعالج من خلال مناهج الانهيار الصريحة. ^{[ 29 ]}

تُخالف بعض التفاعلات دون الذرية التي تشمل القوة النووية الضعيفة مبدأي حفظ التكافؤ وترافق الشحنة ، ولكن نادرًا جدًا. ومن الأمثلة على ذلك اضمحلال الكاون . ^{[ 30 ]} ووفقًا لنظرية CPT ، فإن هذا يعني أنها يجب أن تكون غير قابلة للانعكاس الزمني، وبالتالي تُحدد اتجاه الزمن. ومن المفترض أن تكون هذه العمليات مسؤولة عن تكوين المادة في الكون المبكر.

إنّ ندرة كسر اقتران التكافؤ والشحنة تعني أن هذا السهم يشير "بصعوبة" إلى اتجاه واحد فقط، مما يميزه عن الأسهم الأخرى التي يكون اتجاهها أكثر وضوحًا. لم يُربط هذا السهم بأي سلوك زمني واسع النطاق حتى عمل جوان فاكارو ، الذي بيّن أن انتهاك T قد يكون مسؤولاً عن قوانين الحفظ وديناميكياته. ^{[ 31 ]}