يعد سهم الزمن ونقطة أرخميدس اتجاهين جديدين لفيزياء الزمن

نقد الكتاب. مؤلف الكتاب : هيو برايس . ترجم من الإنجليزية: إيمانويل لوتيم. سلسلة العلم وآدم، دار زمورا بيتان للنشر، 2004

هل تستطيع القطة العد التنازلي؟

https://www.hayadan.org.il/timarrow.html

بقلم يورام كيرش (*)
يتناول كتاب هيو برايس، أستاذ الفلسفة في جامعتي إدنبرة في اسكتلندا وسيدني في أستراليا، موضوعا رائعا - مفارقة سهم الزمن. لا يحتوي الكتاب على أي صيغ تقريبًا، كما أنه ليس مليئًا بالمفاهيم الفيزيائية أيضًا. وعلى الرغم من أنه يناقش المشكلة وحلولها من الناحية الفلسفية، إلا أنه يفعل ذلك بلغة يمكن لأي شخص أن يفهمها. على الرغم من كل هذا، يبدو لي أنه سيتعين على القارئ العادي أن يبذل الكثير من الجهد لقراءة الكتاب، ويرجع ذلك أساسًا إلى الطول المتعب الذي يجعل الكتاب صعبًا أيضًا على الجمهور المستهدف الطبيعي للكتاب - الفيزيائيون وفلاسفة العلوم. . علاوة على ذلك، فإن النظرية التي يقدمها برايس ليست جزءًا من التيار الرئيسي للأفكار حول فيزياء الزمن، وليس من المؤكد على الإطلاق إمكانية تبريرها. بمعنى آخر، من المحتمل جدًا ألا تكون الاتجاهات الجديدة التي يصفها برايس في كتابه هي الاتجاهات الصحيحة.

لكل هذه الأسباب ربما كان من الخطأ ترجمة السفر إلى العبرية من البداية. إلا أن المهتمين بالفيزياء والفلسفة سبق لهم أن قرأوا كتبًا أخرى عن موضوع الزمن ظهرت باللغة العبرية (مثل "تاريخ موجز للزمن" لهوكينج، و"البحث عن حدود الزمن" لجون جريبين ، و"الزمن والوعي" لأفشالوم إليتسور) سيجدان الاهتمام في كتاب برايس، حتى لو لم يصل إلى نهاية عقله في جميع المواضيع. ومن المزايا الأخرى للقارئ المجتهد مقدمة لطريقة البحث النظري في الفيزياء باستخدام أدوات فلسفية منطقية، والتي سأتوسع فيها لاحقًا.

ترتبط مفارقة سهم الزمن بحقيقة أن المعادلات الأساسية في الميكانيكا ونظرية الكهرباء متناظرة بالنسبة لاتجاه الزمن. ولذلك، فإن العملية التي تخضع لهذه المعادلات يمكن أن تحدث أيضًا "بشكل عكسي". تصف هذه المعادلات أيضًا حركة الجزيئات بشكل صحيح (على الرغم من أن معالجة العمليات التي تحدث داخل الجزيئات تتطلب استخدام نظرية الكم). لذلك، إذا قمنا بتصوير تصادم بين جزيئين، أو حركة جزيء في مجال كهربائي، ثم قمنا بعرض الفيلم في الاتجاه المعاكس، فإننا سنظل نرى عملية ممكنة وفقًا لقوانين الفيزياء. يمكن القول أن الفيلم لا يحمل علامة "سهم الزمن". من ناحية أخرى، في الأنظمة التي تحتوي على العديد من الجزيئات، عادة ما يكون هناك سهم واضح للوقت، يحدده القانون الثاني للديناميكا الحرارية (زيادة الإنتروبيا أو الفوضى) ويميز بين الماضي والمستقبل. على سبيل المثال، إذا قمنا بتصوير فيلم يظهر مزهرية تسقط من طاولة وتتحطم إلى قطع، أو سباح يقفز من لوح الغطس إلى حوض السباحة، ويعرض الفيلم من النهاية إلى البداية، فسنرى عملية غير منطقية لا يمكن أن تحدث في الواقع.

تسمى العمليات التي يمكن أن تحدث أيضًا في الاتجاه المعاكس بالعمليات العكسية. تعتبر حركة جزيء واحد والاصطدام بين جزيئين عمليتين عكسيتين. ينشأ التناقض المتعلق بضغط الوقت من حقيقة أن أي عملية لا رجعة فيها، مثل كسر المزهرية، تتكون من العديد من العمليات العكسية على المستوى الجزيئي. والسؤال هو: كيف يمكن أن تؤدي مجموعة من العمليات القابلة للانعكاس، والتي لا تخضع كل منها لضغط الوقت، إلى عملية لا رجعة فيها تخضع لضغط الوقت؟ إذا كان كل جزيء بمفرده لا يتعرف على اتجاه تدفق الزمن، فكيف تبدأ الساعة الزمنية في التحرك في مجموعة كبيرة من الجزيئات؟ هل يرتبط هذا فقط بحقيقة أن حالات الإنتروبيا العالية (أي الحالات الأقل ترتيبًا) لديها احتمالية أعلى؟ أم أن هناك مبدأ آخر أكثر جوهرية في الطبيعة يحدد اتجاه الزمن؟ لا توجد حتى الآن إجابة واضحة ومتفق عليها عالميا على هذا السؤال.

لتوضيح هذه المفارقة، اختار برايس مثالًا تمت مناقشته في عام 1945 من قبل اثنين من الفيزيائيين المشهورين، جون ويلر وريتشارد فاينمان، عندما كان فاينمان طالب دكتوراه في جامعة برينستون ويعمل تحت إشراف ويلر. يمكن وصف هذا المثال على النحو التالي: مصباح معلق من سقف الغرفة. وفي لحظة معينة، يتم تشغيله لفترة قصيرة وينبعث منه موجة من الضوء، أو تراكم الفوتونات - وهي جزيئات الضوء التي تنتشر في كل الاتجاهات وتمتصها الجدران والأثاث. هذه هي العملية (أ)، ولا توجد صعوبة في تنفيذها. العملية ب هي العملية المعاكسة: تنبعث الفوتونات من الجدران والأثاث وتتحرك نحو المصباح، بحيث تصل إليه جميع الفوتونات مرة واحدة. وهذه عملية يكاد يكون من المستحيل تحقيقها. وتنبع مشكلة سهم الزمن من أنه لو خرج فوتون واحد فقط من المصباح، لكانت كلتا العمليتين تبدوا معقولة وممكنة. لذلك، بالنسبة لفوتون واحد، يبدو الفيلم في الاتجاه المعاكس منطقيًا مثل الفيلم الأصلي، ويبدو سهم الزمن غير موجود. ومن ناحية أخرى، عندما يكون هناك العديد من الفوتونات، يبدو الفيلم الأصلي واقعيًا، بينما يبدو الفيلم العكسي غير واقعي تمامًا، أي يظهر سهم الزمن يشير من الماضي إلى المستقبل.

لم يكن المقصود في مقالة ويلر وفاينمان من عام 1945 في الأصل التعامل مع مشكلة سهم الزمن ولكن مع سؤال مختلف: عندما يصدر جسم موجة كهرومغناطيسية مثل موجة ضوئية، لماذا لا تؤثر الموجة على الجسم الذي ينبعث منها؟ ؟ نشأ هذا السؤال أثناء العمل على الديناميكا الكهربائية الكمومية (النظرية الكمومية للمجال الكهربائي)، والتي اشتهر فاينمان فيما بعد كأحد مطوريها، بل وحصل على جائزة نوبل عنها. وكان الحل الذي اقترحه ويلر وفاينمان يعتمد على فكرة أن الأجسام التي تمتص الضوء تؤثر على عملية الانبعاث نفسها، كما أن تأثيرها يحيد التأثير الذاتي لموجة الضوء على الجسم الذي ينبعث منها. واجهت هذه الفكرة صعوبات وتخلى عنها مؤيدوها في النهاية، لكن الفيزيائيين، وخاصة الفلاسفة مثل برايس، يواصلون الانخراط فيها من وقت لآخر.

ينتقد برايس نقاطًا مختلفة في بحث ويلر وفاينمان، لكنه يتبنى فكرتهما المركزية: يؤثر امتصاص الفوتونات على انبعاثها، على الرغم من أن الانبعاث حدث في وقت سابق. ويتوسع في هذه الفكرة ويقول إن التمييز بين الماضي والمستقبل هو أمر مصطنع ومضلل، وينبع من حقيقة أننا أنفسنا مخلوقات تعيش داخل تيار الزمن. ولو تمكنا من النظر إلى العالم من "نقطة أرخميدس" خارج الزمن، فسيتبين لنا أن الماضي والمستقبل متماثلان تماما بالنسبة للحاضر. من بين أمور أخرى، سوف نكتشف أن الحدث المادي يمكن أن يتأثر ليس فقط بالأحداث التي وقعت في الماضي، ولكن أيضًا بالأحداث التي ستحدث في المستقبل، أي أن هناك نوعًا من "السببية الرجعية" موجودة في الطبيعة.

فكيف يحل هذا الافتراض مفارقة سهم الزمن في مثال المصباح مثلا؟ يمكن تقديم الحل على هذا النحو. تبدو العملية (أ) طبيعية وممكنة، لأنه يبدو لنا أنها تصف الفوتونات التي تخرج بشكل عشوائي من المصباح وتتحرك بشكل عشوائي في جميع الاتجاهات. تبدو لنا العملية (ب) معقدة للغاية بحيث لا يمكن وجودها في الواقع، لأنها تتضمن انبعاثًا منسقًا للفوتونات من العديد من الأجسام المستقلة. لكن إذا نظرنا إلى السببية الرجعية، سيتبين لنا أنه في العملية أ، يتأثر عدد الفوتونات التي تخرج من المصباح واتجاهات خروجها بحالة الأحواض. لذلك، في الواقع، العملية (أ) معقدة تمامًا مثل العملية (ب). في كل مرة يتم فيها تنفيذ العملية A، يحدث تشتت منسق وفريد ​​للفوتونات، واحتمال تكرارها منخفض جدًا، مثل احتمال حدوث العملية B.

وتسمح السببية الرجعية لبرايس بحل عدة مفارقات في نظرية الكم، أبرزها المفارقة الشهيرة المرتبطة بأسماء أينشتاين وبودولسكي وروزن ونظرية بيل. تنبع هذه المفارقة من حقيقة أن نظرية الكم تسمح بحالة يكون فيها جسيمان متباعدان مرتبطين، بحيث يؤثر القياس الذي يتم إجراؤه على أحدهما على الفور على نتائج القياس الذي يتم إجراؤه على الجسيم الآخر. ومن الواضح أن هذا يتناقض مع النظرية النسبية الخاصة، والتي بموجبها لا يمكن لأي تأثير أن ينتشر عبر الفضاء بسرعة أكبر من سرعة الضوء. وفقًا لبرايس، فإن حل المفارقة بسيط: يؤثر القياس الأول على بعض الأحداث المستقبلية، ويؤثر نفس الحدث على القياس الذي تم إجراؤه على الجسيم الثاني.

وتجدر الإشارة إلى أن نظرية برايس ليست أصلية. ظهرت النظريات حول السببية الرجعية في مجلات الفلسفة منذ منتصف الخمسينيات وفي مجلات الفيزياء (فيما يتعلق بالتاكيونات - الجسيمات الافتراضية الأسرع من الضوء) منذ الستينيات. إن الحجج التي ساقها برايس ليست هي نفس تلك التي طرحها أسلافه، ولكن في المجمل لا يوجد أي ابتكار كبير في كلماته. إن ضعف جميع النظريات التي تتمسك بالسببية الرجعية هو أنها تؤدي إلى مفارقات يصعب حلها، وأنها لا تدعمها التجربة. تدعم جميع التجارب الفيزيائية التي نعرفها تقريبًا المبدأ القائل بأن الأحداث الفيزيائية تتأثر بما حدث في الماضي وليس بما سيحدث في المستقبل. هناك بعض الأمثلة التي يمكن أن تشير إلى السببية الرجعية، مثل تلك المتعلقة بنظرية بيل، ولكن حتى بالنسبة لها من الممكن العثور على تفسير بديل أقل إشكالية. ويبدو أنه على الرغم من كثرة الكلمات التي يستثمرها برايس لإقناعنا بوجود السببية الرجعية، إلا أنه لا يتمكن من التغلب على الصعوبات التي عانت منها النظريات السابقة التي تناولت الموضوع.

يعد كتاب برايس بمثابة مثال لظاهرة مثيرة للاهتمام للبحث النظري في الفيزياء باستخدام الأدوات الفلسفية. من المعروف أنه في الفيزياء، كما هو الحال في العلوم الأخرى، هناك نوعان رئيسيان من البحث: البحث التجريبي الذي يعتمد على القياسات والتجارب والملاحظات، والبحث النظري الذي يتناول تطوير النظريات. ويوجد بين النوعين اعتماد متبادل لأن النظرية تعتمد على نتائج التجارب ويتم اختبار مدى ملاءمتها للتجربة.

تتميز المقالات التي يكتبها علماء الفيزياء النظرية بعدد كبير من الحسابات والصيغ، ولا يمكن الوصول إليها بشكل عام إلا لأولئك الذين لديهم معرفة بالمجال المحدد الذي تتناوله المقالة، والذين هم على دراية بالنظرية الرياضية الأساسية. ومع ذلك، فقد تبين أن هناك أيضًا طريقة بديلة للتعامل مع نظرية الفيزياء. من يتصفح المجلات الفلسفية الصادرة في العشرين سنة الماضية، مثل "Mind" أو المجلة البريطانية لفلسفة العلوم، سيجد عددًا لا بأس به من الأمثلة على المقالات في الفيزياء التي كتبها فلاسفة. وعادة ما تختلف هذه المقالات في غرض التغيير عن مقالات الفيزيائيين. إنها لا تحتوي على أي صيغ تقريبًا، ولغتها ليست رياضية بل لفظية منطقية، وعادة ما تكون أطول بكثير من مقالات الفيزيائيين، وتناقش كل التفاصيل بإسهاب، وغالبًا ما تتناول موضوعات لم يعد الفيزيائيون يتعاملون معها لأنهم يرونها مواضيع مغلقة (على سبيل المثال، المواضيع المتعلقة بتفسير نظرية الكم، والمفارقات من مجال الميكانيكا الإحصائية مثل "شيطان ماكسويل").

ينتمي مؤلفو هذه المقالات عادةً، ولكن ليس دائمًا، إلى الفرع المعروف باسم "فلسفة العلم". المجال التقليدي لنشاط هذا الفرع هو المناقشة الفلسفية لطريقة بناء النظريات العلمية، والارتباط بين النظريات والواقع والقضايا المشابهة، وذلك من وجهة نظر "خارجية" للعلم. إن التعامل مع المشكلات الفيزيائية من وجهة نظر «داخلية»، كما يفعل برايس في كتابه، يتجاوز نطاق الموضوعات التي تنتمي تقليديًا إلى فلسفة العلم، ويضع الكاتب في موقع أقرب إلى العالم منه إلى العالم. فيلسوف. وتجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن هذه الظاهرة ربما أصبحت أقوى في السنوات الأخيرة، إلا أنها ليست جديدة. ويمكن العثور على الأمثلة، على سبيل المثال، في فيلسوف العلوم الألماني هانز رايشنباخ (1891-1953) الذي ألف كتبا عن سهم الزمن والنسبية ونظرية الكم.

غالبًا ما يكون الفيزيائيون متشككين وينتقدون الفلسفة، سواء عندما تتعامل مع الفيزياء من وجهة نظر خارجية أو عندما تفعل ذلك من وجهة نظر داخلية. وينبع النقد جزئياً من غرائز حماية الأرض، وجزئياً من مخاوف مبررة من أفكار مغلوطة، قد تضر بتقدم العلم وتقوده إلى أزقة مسدودة لا مخرج منها. فيما يتعلق بالمعالجة الخارجية، يقال إنه على الرغم من أنها مفيدة وملهمة في بعض الأحيان، إلا أنها في كثير من الحالات تخطئ الهدف وتجعل الفيزيائيين يشعرون بأن شخصًا لا يعرف الفيزياء يحاول تعليمهم كيفية العمل بشكل صحيح من وجهة نظر أبوية ومتعالية. موضع. وقد عبر عن ذلك ستيفن فاينبرغ الحائز على جائزة نوبل في كتابه "رؤية النظرية النهائية" (انظر أو بالعبرية في سلسلة أوفاكيم، التي نشرها عام عوفيد). وفي فصل "ضد الفلسفة"، يشن واينبرغ هجومًا حادًا على مدرسة الوضعية المنطقية، التي أعاقت أفكارها، حسب قوله، تقدم الفيزياء في مناسبات عديدة خلال القرن العشرين. وفي الوقت نفسه، يشير إلى أنه في بعض الحالات كان لهذه المدرسة تأثير جيد على تطور الفيزياء. على سبيل المثال، ساعدت أينشتاين في تطوير النظرية النسبية وأثرت في صياغة مبادئ مهمة لنظرية الكم، بما في ذلك مبدأ عدم اليقين.

أما فيما يتعلق بالمعالجة الداخلية، فإن عيوبها ومزاياها تنبع من أن الصياغة اللفظية أكثر مرونة من الصياغة الرياضية. عندما يتم التعبير عن المبادئ الفيزيائية بالكلمات بدلاً من الصيغ، يسهل على الكاتب صياغة أفكار جديدة، كما يسهل عليه ارتكاب الأخطاء. يمكن العثور على أمثلة على ذلك في أعمال رايشنباخ. هناك بعض الأفكار المثيرة للاهتمام في كتبه، مثل معالجة نظرية الكم من خلال منطق لا يحتوي على الحقيقة والكذب فحسب، بل يحتوي أيضًا على حالات وسيطة. ومع ذلك، هناك أيضًا مفاهيم خاطئة في هذه الكتب. على سبيل المثال، فكرة أنه إذا عكس الكون اتجاهه يومًا ما، وانكمش بدلًا من التمدد، فإن اتجاه القانون الثاني للديناميكا الحرارية سوف ينعكس أيضًا، بطريقة تجعل إنتروبيا الأنظمة المغلقة تميل إلى الانخفاض بدلاً من الزيادة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الإحساس بالزمن لدى جميع الكائنات في الكون سوف ينعكس، بحيث يبدو الماضي لهم على أنه المستقبل، والعكس صحيح. وقد أكسبته هذه الفكرة الغريبة جاذبية لدى بعض علماء الفيزياء. حتى أن ستيفن واينبرغ تلاعب بها لفترة من الوقت، وأعلن لاحقًا أن هذا كان أكبر خطأ ارتكبه في حياته (ربما هذا هو سبب غضبه من الفلسفة).

يوضح كتاب برايس مزايا وعيوب العلاج اللفظي للمشاكل الجسدية. وبمساعدة الكلمات والرسوم البيانية، تمكن من وصف موضوع لا يمكن الوصول إلى عرضه التقديمي بمساعدة الصيغ إلا لجمهور محدود. إلا أن العرض بمساعدة الصيغ يتطلب بضع صفحات، بينما تمتد مناقشة برايس إلى حوالي 400 صفحة مليئة بالنص، ومن الصعب على القارئ التأكد من عدم حدوث أي أخطاء خلال المناقشة الطويلة. لذلك، في النهاية قد تكون الصيغ هي الأفضل.

* مقال البروفيسور يورام كيرش، "النظرية النسبية"، تم نشره من قبل مطبعة الجامعة المفتوحة