هل تعلم أن هناك تعريفين للزمن وهما لا يتفقان!

في حياتنا اليومية، يعيش أغلبنا تجربة الزمن كشيء مؤكّد، فهو يمضي دائماً في الاتجاه الصحيح، وبمعدّل يمكن قياسه بسهولة ويتفق عليه جميع المراقبين. ولكن عندما يقارن مراقبان ما يختبرانه كل منهما، لنفسه، باعتباره ثانية واحدة، فإنهما لا يتفقان دائماً. ولم يتم تفسير هذا إلا في أوائل القرن العشرين، مع ظهور النظرية النسبية لأينشتاين. المفاجأة هي أن الزمن نفسه، الذي اعتُبر لفترة طويلة أساسياً وعالمياً، نسبيّ في الواقع؛ بمعنى أنّ المراقبين المختلفين سيشعرون بتدفق الزمن شعورًا مختلفًا بعضهم عن البعض الآخر، طالما أنهم يتحركون عبر الفضاء بسرعات مختلفة أو في اتجاهات مختلفة. وسواء حدث حدثان في وقت واحد أو حدث أحدهما قبل الآخر، فإن ذلك يعتمد بالكامل على وجهة نظر المراقب.

سهم الزمن، أو سهما الزمن:

ولكن، وعلى الرغم من مدى غموض الزمن، فهناك بعض الحقائق عنه التي يمكن لجميع المراقبين الاتفاق عليها. ولعل أكثر هذه الحقائق جوهرية - وربما الأكثر إرباكًا بينها أيضا - هو أن كل شخص، في جملته المرجعيّة العطاليّة، يرى الزمن يتحرك دائمًا إلى الأمام بالمعدل نفسه: ثانية واحدة كلّ ثانية. تُعرف هذه الحقيقة باسم "سهم الزمن"، أو على وجه التحديد سهم الزمن الإدراكي لدينا. وهناك العديد من الأفكار حول ما يجعلنا نختبره بالطريقة التي نختبره بها، وإحدى الأفكار التي طرحت هي "سهم الزمن" الوحيد الآخر الذي نعرفه: سهم الزمن المعرّف بالديناميكا الحرارية (الترموديناميك).

جهة واحدة:

تطرح الفيزياء هنا مفارقة أساسية: نحن نختبر الزمن كحركة دائمة إلى الأمام، بينما تبدو معظم القوانين الأساسية قابلة للوصف في الاتجاهين.

مقارنة بين الخبرة اليومية ووصف القوانين

في التجربة المباشرة

الزمن يتقدم دائمًا نحو المستقبل، ولا يبدو أنه يتوقف أو ينعكس في أي ظرف.

في المعادلات الفيزيائية

من نيوتن إلى أينشتاين، لا تمنح معظم القوانين جهة مفضلة للزمن، كما يمكن وصف السلوك في الاتجاهين الأمامي والخلفي.

مع كل لحظة تمرّ، وبغض النظر عما يحدث حولنا، نجد أنفسنا نختبر الشكل الأكثر بدائية ورتابة للسفر عبر الزمن: مرور الزمن البطيء الذي يمر بنا بينما نتقدم نحو المستقبل. ومع كل لحظة تمرّ، يستمر الزمن بالانتشار في الجهة التي كان يتحرك فيها، محافظاً على سرعته الثابتة، حيث يتحرك لمسافة مناسبة في كل فترة زمنية معينة، بغضّ النظر عما يحدث حوله. وفي أية لحظة، وفي أي ظرف من الظروف، لا يبدو أنّ الزمن يثبت أو ينعكس؛ بل يمكنه فقط أن يستمر في التقدم نحو المستقبل. بعبارة أخرى، يشير سهم الزمن دائماً إلى الاتجاه الأمامي لأي شيء موجود داخل كوننا. ولكن هذا لغز للفيزياء الأساسية، إذ لا يوجد تفسير لتصرفه بهذه الطريقة. إن قوانين الطبيعة، باستثناءات قليلة جداً، متناظرة زمنياً تماماً. من نيوتن إلى أينشتاين، لا يوجد في المعادلات التي تحكم الواقع جهةٌ مفضّلةٌ لتدفق الزمن. ويمكن وصف سلوك أي جملة بمعادلات تصلح في الاتجاه الأمامي كما تصلح في الاتجاه الخلفي. فمثلًا، يمكننا التحرك "للخلف" وكذلك "للأمام" في أي من أبعادنا المكانية الثلاثة. ولكن بطريقة ما، الزمن يختلف.

الإنتروبية:

يربط هذا القسم بين سهم الزمن ومفهوم الإنتروبية بوصفها طريقة لفهم ازدياد عدد الحالات الممكنة داخل الجملة الفيزيائية.

🧪

ما الذي تعنيه الإنتروبية هنا؟

بدل اختزالها في كلمة "الفوضى" فقط، يقدّم النص فكرتين تساعدان على فهمها بصورة أدق.

عدد الترتيبات الممكنة

كلما زادت الطرق التي يمكن بها ترتيب الجملة مع بقائها بالحالة نفسها، ارتفعت الإنتروبية.

مثال الحاجز بين الساخن والبارد

الصندوق ذو الجانبين المنفصلين يملك إنتروبية أقل من الصندوق الذي تختلط فيه العناصر بعد إزالة الحاجز.

مع أخذ كل هذا بنظر الاعتبار، من أين يأتي سهم الزمن لدينا؟ وفقًا للعديد من الأشخاص، يبدو أن هناك رابطًا مقترحًا بين ما ندركه على أنه سهم الزمن وكمية تسمى الإنتروبية، والمعروفة عمومًا باسم "مقياس الفوضى" في الجملة الفيزيائية، هناك في الواقع وصفان أكثر دقة عندما يتعلق الأمر بالإنتروبية: أولهما هو اعتبارها عدد الترتيبات الممكنة للحالة (الكمية) للجملة. إذا كان لديك المزيد من الخيارات لكيفية ترتيب الجملة بحيث تظل نفسها، كانت لديك إنتروبية أعلى مما لو كان هناك عدد أقل من الخيارات. فعلى سبيل المثال، الصندوق الذي يحتوي على جانب "ساخن" وجانب "بارد" مفصولين بحاجز، له إنتروبية أقل من الصندوق الذي تختلط فيه العناصر جيدًا بعد إزالة الحاجز.

العلاقة بين الزمن والإنتروبية:

القانون الثاني

الفكرة المحورية هنا هي أن إنتروبية الجملة المعزولة لا تنخفض بمرور الزمن، بل تزداد أو تبقى كما هي.

كلما ناقشنا الإنتروبية، يتعين علينا أن نضع في اعتبارنا أننا مقيدون بقوانين الترموديناميك. وعلى وجه الخصوص، فإن القانون الثاني له أهمية بالغة، إذ ينصّ على أن إنتروبية الجملة المعزولة - وهي الجملة التي لا تسمح بتبادل المادة أو الطاقة مع البيئة الخارجية - لا يمكن إلا أن تزداد أو تظل على حالها بمرور الزمن؛ ولا يمكن أن تنخفض أبدًا. وبما أن الكون مغلق ومعزول تقريبًا (هذا التقريب جيد للغاية بالنسبة لجميع التطبيقات تقريبًا)، فلابدّ من أن تزداد إنتروبية الكون بأكمله بمرور الزمن. وهو القانون الوحيد المعروف في الفيزياء الذي يبدو أنه يُظهِر اتجاها مفضّلا للزمن.

أمثلة على ازدياد الإنتروبية في الحياة اليومية

المثال	الاتجاه السهل	الاتجاه العكسي
البيضة	خفقها وطهيها	إعادتها بعد الطهي إلى حالتها الابتدائية وفصل مكوّناتها
القهوة	إذابة السكر والكريمة وامتزاج الخليط	فصل المكوّنات من جديد بعد التجانس
العصير ومكعب الثلج	ذوبان الثلج والوصول إلى حرارة أكثر تجانسًا	انفصال العصير تلقائيًا إلى عصير دافئ ومكعب ثلج

هل يعني هذا أنه من الممكن أن نختبر الزمن بالطريقة التي نختبره بها فقط بسبب القانون الثاني للترموديناميك؟ إذا كان الأمر كذلك، فهذا يشير إلى وجود ارتباط عميق بين سهم الزمن والإنتروبية. إذا كان سهم الزمن المتخيّل يتحرك دائمًا إلى الأمام، بغضّ النظر عما يحدث للإنتروبية داخل الجملة، فإن هذا الارتباط المقترح لن يكون حقيقيًا. ولكنّ عكس تدفق الإنتروبية داخل معظم الجمل أسهل قولاً من الفعل؛ فنحن نستطيع بسهولة خفق بيضة ثم طهيها، ولكن العكس - إعادة البيضة بعد طهيها إلى وضعها الابتدائي، وفصل مكوّناتها - ليس بالسهولة ذاتها. وينطبق نفس الموقف عندما نذيب السكر والكريمة في القهوة؛ فتجانس الخليط أسهل كثيراً من فصل مكوّناته. في كلا المثالين تكون الإنتروبية في الحالة النهائية أعلى منها في الحالة الابتدائية. إذاً، من الناحية العملية، لا تحدث عملية عكس الإنتروبية تلقائيًا أبداً. وهذا ربما ما يحدّد اتجاه السهم الترموديناميكي للزمن إلى الأمام، حيث تزداد الإنتروبية.

إن الطبيعة مليئة بالأمثلة مثل خلط القهوة بالكريمة أو خفق البيض وطهيه: ما نطلق عليه تقليديًا "التفاعلات غير العكوسة" في الفيزياء. فإذا أسقطت مكعبًا من الثلج في عصير دافئ، فسوف يذوب الثلج، ما ينتج عنه عصير بارد بدرجة حرارة موحدة أقل من درجة حرارته قبل وضع مكعب الثلج فيه. ولكن من المستحيل أن ينفصل العصير المبرد تلقائيًا إلى عصير دافئ ومكعب ثلج؛ فهذا أمر محظور بموجب القانون الثاني للترموديناميك. هذا هو الثمن الذي تستخلصه قوانين الترموديناميك من الكون بمرور الوقت: إن الإنتروبية الكلية لنظام مغلق ومعزول لا يمكن أن تنخفض أبدًا.