مشكلة الوقت

في الفيزياء النظرية ، تُعدّ مشكلة الزمن صراعًا مفاهيميًا بين ميكانيكا الكم والنسبية العامة . إذ تعتبر ميكانيكا الكم تدفق الزمن كونيًا ومطلقًا، بينما تعتبره النسبية العامة مرنًا ونسبيًا. ^{[ 1 ] [ 2 ]} تُثير هذه المشكلة تساؤلًا حول ماهية الزمن في الواقع الفيزيائي، وما إذا كان ظاهرة حقيقية ومتميزة. كما تتضمن تساؤلًا آخر حول سبب تدفق الزمن في اتجاه واحد ظاهريًا، على الرغم من عدم وجود قوانين فيزيائية معروفة على المستوى المجهري تُشير إلى اتجاه واحد. ^{[ 3 ]}

في الميكانيكا الكلاسيكية ، يُمنح الزمن مكانة خاصة، إذ يُعامل كمعامل أساسي كلاسيكي، خارجي عن النظام نفسه. ويتجلى هذا الدور الخاص في تفسير كوبنهاغن القياسي لميكانيكا الكم: حيث تُجرى جميع قياسات الكميات القابلة للرصد في لحظات زمنية محددة، وتُنسب الاحتمالات فقط إلى هذه القياسات. علاوة على ذلك، يعتمد فضاء هيلبرت المستخدم في نظرية الكم على مجموعة كاملة من الكميات القابلة للرصد التي تتبادل عند لحظة زمنية محددة. ^{[ 4 ] : ​​759}

في النسبية العامة، لم يعد الزمن مجرد مُعامل أساسي فريد، بل أصبح إحداثية عامة. لا تُصاغ معادلات المجال في النسبية العامة بدلالة الزمن، بل تُصاغ بدلالة الزمكان. وتوجد العديد من المسائل المتعلقة بمشكلة الزمن ضمن النسبية العامة. فعلى المستوى الكوني، تُظهر النسبية العامة كونًا مغلقًا بلا زمن خارجي. هذان الدورين المختلفين للزمن غير متوافقين. ^{[ 4 ]}

تصف الجاذبية الكمومية النظريات التي تسعى إلى التوفيق بين ميكانيكا الكم والنسبية العامة ، وهي النظرية الحالية للجاذبية، أو توحيدهما. ^{[ 5 ]} وتُعدّ مشكلة الزمن محوريةً في هذه المحاولات النظرية. ولا يزال من غير الواضح كيف يرتبط الزمن بالاحتمالية الكمومية، وما إذا كان الزمن أساسيًا أم نتيجةً لعملياتٍ ما، وما إذا كان الزمن تقريبيًا، من بين مسائل أخرى. وتحاول النظريات المختلفة تقديم إجاباتٍ متباينةٍ لهذه الأسئلة، ولكن لم يظهر حلٌ واضحٌ حتى الآن. ^{[ 6 ]}

أكثر جوانب مشكلة الزمن شيوعًا في النقاش هي مشكلة الصيغة الثابتة. تتضمن معادلة ميكانيكا الكم غير النسبية تطور الزمن . $${\displaystyle i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}\psi (t)=H\psi (t),}$$ أين${\displaystyle H}$هو مؤثر طاقة يصف النظام والدالة الموجية${\displaystyle \psi (t)}$يتطور عبر المكان في الزمن، t . في النسبية العامة، يصبح عامل الطاقة قيدًا في معادلة ويلر-ديويت : $${\displaystyle {\hat {H}}(x)|\psi \rangle =0,}$$ حيث يتغير المؤثر عبر الفضاء، لكن الدالة الموجية هنا، والتي تُسمى الدالة الموجية للكون، ثابتة. ونتيجة لذلك، فإن هذه الدالة الموجية الكونية الكونية متجمدة ولا تتطور. بطريقة ما، على نطاق أصغر، تنطبق قوانين الفيزياء، بما في ذلك مفهوم الزمن، داخل الكون بينما يظل المستوى الكوني ساكنًا. ^{[ 4 ] : ​​762}

تشير الأبحاث التي بدأها دون بيج وويليام ووترز ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} إلى أن الكون يبدو وكأنه يتطور بالنسبة للمراقبين من داخله بسبب التشابك الطاقي بين نظام متطور ونظام زمني، وكلاهما داخل الكون. ^{[ 10 ]} وبهذه الطريقة، يمكن للنظام ككل أن يظل خارج نطاق الزمن بينما تخضع أجزاء منه للزمن من خلال التشابك. ولا تزال هذه المسألة سؤالًا مفتوحًا يرتبط ارتباطًا وثيقًا بنظريات الجاذبية الكمومية التي تم تطويرها. ^{[ 11 ] [ 6 ]} بعبارة أخرى، يُعد الزمن ظاهرة تشابك ، مما يضع جميع قراءات الساعات المتساوية (للساعات المُجهزة بشكل صحيح - أو أي أجسام قابلة للاستخدام كساعات) في نفس التاريخ.

في عام ٢٠١٣، في المعهد الوطني للبحوث المترولوجية (INRIM) في تورينو بإيطاليا، أجرت إيكاترينا موريفا، بالتعاون مع جورجيو بريدا، وماركو غرامينيا، وفيتوريو جيوفانيتي، ولورينزو ماكوني، وماركو جينوفيز، أول اختبار تجريبي لأفكار بيج ووترز. وقد أكدوا، بالنسبة للفوتونات، أن الزمن ظاهرة ناشئة للمراقبين الداخليين في النظام الكمومي، ولكنه غائب بالنسبة للمراقبين الخارجيين، وهو ما يتوافق مع تنبؤات معادلة ويلر-ديويت . ^{[ ١٠ ] [ ١٢ ] [ ١٣ ]}

لا يفرض أسلوب التجزئة المتسقة الذي طوره خورخي بولين ورودولفو غامبيني أي قيود. هذه تقنيات تقريب شبكي للجاذبية الكمومية. في الأسلوب التقليدي، إذا تم تجزئة القيود ومعادلات الحركة، فإن المعادلات المنفصلة الناتجة تكون غير متسقة: لا يمكن حلها آنيًا. لمعالجة هذه المشكلة، تُستخدم تقنية تعتمد على تجزئة فعل النظرية والتعامل مع معادلات الحركة المنفصلة. هذه المعادلات مضمونة الاتساق تلقائيًا. ترتبط معظم الأسئلة المفاهيمية الصعبة في الجاذبية الكمومية بوجود قيود في النظرية. النظريات المتقطعة المتسقة خالية من هذه المشكلات المفاهيمية ويمكن تكميمها بسهولة، مما يوفر حلاً لمشكلة الزمن. الأمر أكثر تعقيدًا من ذلك. على الرغم من عدم وجود قيود ووجود "تطور عام"، إلا أن هذا الأخير يكون فقط بدلالة مُعامل منفصل غير قابل للوصول إليه فيزيائيًا. يتم تناول الحل بطريقة مشابهة لنهج بيج-ووترز. تتلخص الفكرة في اختيار أحد المتغيرات الفيزيائية ليكون بمثابة ساعة، ثم طرح أسئلة متعلقة بالعلاقات. وقد أدت هذه الأفكار، حيث تكون الساعة أيضًا كمومية، إلى تفسير جديد لميكانيكا الكم، وهو تفسير مونتيفيديو لميكانيكا الكم. ^{[ 14 ] [ 15 ]} يحل هذا التفسير الجديد مشكلة استخدام التفكك البيئي كحل لمشكلة القياس في ميكانيكا الكم، وذلك بالاستناد إلى قيود أساسية، ناتجة عن الطبيعة الكمومية للساعات، في عملية القياس. وتُعد هذه القيود طبيعية جدًا في سياق النظريات المتغيرة عمومًا، مثل الجاذبية الكمومية، حيث يجب اعتبار الساعة إحدى درجات حرية النظام نفسه. كما طرحوا هذا التفكك الأساسي كطريقة لحل مفارقة معلومات الثقب الأسود . ^{[ 16 ] [ 17 ]} في ظروف معينة، يُستخدم حقل المادة لإزالة معلمات النظرية وإدخال هاميلتوني فيزيائي. وهذا يُولّد تطورًا زمنيًا فيزيائيًا، وليس قيدًا.

تُحل قيود التكميم في فضاء الطور المختزل أولاً، ثم تُكمّم. اعتُبر هذا النهج لفترة من الزمن مستحيلاً، إذ يبدو أنه يتطلب أولاً إيجاد الحل العام لمعادلات أينشتاين. مع ذلك، وباستخدام الأفكار الواردة في مخطط ديتريش التقريبي (المبني على أفكار كارلو روفيللي )، أصبح من الممكن، من حيث المبدأ على الأقل، تطبيق التكميم في فضاء الطور المختزل بشكل صريح. ^{[ 18 ]}

يجادل أفشالوم إليتزور وشاهار دوليف بأن التجارب الكمومية، مثل تجربة "الكاذب الكمومي" ^{[ 19 ]} ، تُقدّم دليلاً على وجود تواريخ غير متسقة، وأن الزمكان نفسه قد يكون بالتالي عرضةً للتغيير الذي يؤثر على تواريخ كاملة. ^{[ 20 ]} كما يعتقد إليتزور ودوليف أنه يمكن التوفيق بين مرور الزمن الموضوعي والنسبية، وأن ذلك سيحل العديد من المشكلات المتعلقة بنظرية الكون الثابت والتناقض بين النسبية وميكانيكا الكم. ^{[ 21 ]}

أحد الحلول التي اقترحها لي سمولين لمشكلة الزمن هو وجود "حاضر كثيف" للأحداث، حيث يمكن ربط حدثين في الحاضر بعلاقة سببية، وذلك على عكس مفهوم الكون الكتلي للزمن الذي يفترض وجود الزمن أبديًا . ^{[ 22 ]} وتجادل مارينا كورتيس ولي سمولين بأن فئات معينة من الأنظمة الديناميكية المنفصلة تُظهر عدم تناظر زمني وعدم انعكاسية، وهو ما يتوافق مع مرور الزمن الموضوعي. ^{[ 23 ]}

انطلاقًا من غموض إميرزي في جاذبية الكم الحلقية ، وثبات النموذج القياسي للجسيمات الأولية شبه المطابق، ^{[ 24 ]} جادل تشارلز وانغ وزملاؤه بأن مشكلة الزمن قد تكون مرتبطة بثبات المقياس الكامن لأنظمة الجاذبية والمادة. ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} كما اقتُرح ثبات المقياس لحل مشكلة التسلسل الهرمي للاقترانات الأساسية. ^{[ 28 ]} وباعتباره تناظرًا مستمرًا عالميًا ، يُولّد ثبات المقياس تيار فايل محفوظًا ^{[ 25 ] [ 26 ]} وفقًا لنظرية نوثر . في النماذج الكونية الثابتة المقياس، يُؤدي تيار فايل هذا بشكل طبيعي إلى زمن توافقي. ^{[ 29 ]} في سياق جاذبية الكم الحلقية، يُشير تشارلز وانغ وآخرون إلى أن ثبات المقياس قد يُؤدي إلى وجود زمن مُكمّم. ^{[ 25 ]}

تُعدّ فرضية الزمن الحراري حلاً محتملاً لمشكلة الزمن في النظرية الكلاسيكية والكمية، كما طرحها كارلو روفيللي وآلان كون . وقد طوّرا نموذجًا للميكانيكا الإحصائية للجاذبية، ووصفا الزمن الديناميكي الحراري بأنه تدفق متجهي للحالة الإحصائية. ويحمل هذا الزمن الديناميكي الحراري الخصائص المشتركة لمفاهيم الزمن. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

• جاذبية هورافا-ليفشيتز
• نظرية دي دوندر-ويل

• نظام الزمن لكارلو روفيللي
• إعادة إحياء الزمن بقلم لي سمولين
• الكون المتفرد وحقيقة الزمن، بقلم لي سمولين وروبرتو مانغابيرا أونغر