راهنمای جامع فیزیک/زمان فیزیکی

ویکی‎کتاب، کتابخانهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
زمان زمان فیزیکی اشکال مفهوم زمان فیزیکی


نمونه‌ای از ساعت آفتابی در هانوور آلمان
یک ساعت آفتابی در ونکوور در ایالات متحده
14-01-24-перейти в Пальма-де-Майорка-RalfR-DSCN1124-066.jpg

در فیزیک، زمان با دو روش متفاوت تعریف می‌شود:

الف) روش ترمودینامیکی: این روش را برای نخستین بار فیزیکدانانی مانند کلوین و سلسیوس که به مفهوم دما و تبادلات گرمایی علاقمند بودند، بنیان نهادند. اما شکل پخته و امروزین آن را در آثار اندیشمندانی مانند بولتزمان می‌بینیم.

تعریف ترمودینامیکی زمان، بر الگوهایی از رفتار مبتنی است که در سیستمهای ساده دیده می‌شود. بخش مهمی از سیستمهایی که در پیرامون ما وجود دارند، نظامهایی ساده هستند که از شمار زیادی از عناصر به نسبت ساده تشکیل یافته‌اند. عناصری که رفتارشان تقریباً تصادفی به نظر می‌رسد، اما برآیند رفتارهای سطح خردشان بر مبنای قواعدی کلان پیش بینی پذیر است. بررسی تحولات انرژیایی این سیستمها، ستون فقرات علم ترمودینامیک را تشکیل می‌دهد. کل ساختمانِ علم ترمودینامیک، بنایی است که بر پایهٔ چند شاه ستونِ اصلی تکیه کرده است. این ستونها، قوانین ترمودینامیک خوانده می‌شوند. قوانین یاد شده، از نظر منطقی بسیار ساده و بدیهی می‌نمایند. مثلاً قانون صفرم ترمودینامیک چنین می‌گوید که اگر دو سیستمِ آ و ب از نظر حرارتی با هم در تعادل باشند، و دو سیستم ب و پ هم چنین وضعیتی داشته باشند، آنگاه دو سیستم آ و پ هم با هم در تعادل گرمایی خواهند بود. چنان که می‌بینید، این در واقع بیانی حرارتی از اصل منطقی این همانی است.

دومین قانون ترمودینامیک، چنین می‌گوید که سیستمهای باز به مرور زمان به سوی بی نظمی (آنتروپی) میل می‌کنند. این بدان معناست که متغیری ثابت و عام به نام زمان بر رفتار چنین سیستمهایی حاکم است. با یک مثال ساده می‌توان رابطهٔ زمان و آنتروپی را نشان داد. فرض کنید در یک اتاق، شیشه‌ای عطر داشته باشیم و درِ آن را گشوده باشیم. در چنین وضعیتی تراکم مولکولهای عطر در یک نقطهٔ خاص از اتاق -درون شیشه- نشانگر وجود شکلی از نظم است. اتاقی که در آن مولکولهای عطر در کنار هم و مولکولهای هوا در کنار هم قرار گرفته‌اند، اتاقی منظم است و محتوای اطلاعاتی اش از اتاقی که مولکولهای یاد شده به طور نامنظم و درهم برهم قرار گرفته باشند، بیشتر است. قانون دوم ترمودینامیک به ما می‌گوید که سیستمی باز -مانند شیشهٔ عطرِ دارای درِ گشوده- در گذر زمان از حالت منظم اولیه به سوی وضعیت نامنظم دومی پیش خواهد رفت. آنچه که در این میان افزایش می‌یابد، بی نظمی اتاق است که در ترمودینامیک با عنوان آنتروپی شناخته می‌شود.

ب) روش تاریخ مدارانه: این روش زمان را بر مبنای سیستمهای پیچیده‌ای تعریف می‌کند که امکان انباشت اطلاعات و تجربیات را در خود دارند. در این سیستمها، گذر زمان به کاهش یافتنِ بی نظمی و افزایش نظم منتهی می‌شود. مثلاً وقتی به بدن مجروح یک انسانِ یا بذر یک گیاه نگاه می‌کنیم، می‌بینیم که با مرور زمان مقدار نظم درونی این سیستمها زیاد می‌شود. فرد زخمی بهبود می‌یابد و بذر به گیاه تبدیل می‌شود. به این ترتیب به نظر می‌رسد تعریف تاریخ مدارانه از زمان، با تعریف ترمودینامیکی آن در تضاد باشد. چنان که می‌دانیم، مهمترین ویژگی حاکم بر قوانین علوم تجربی مانند فیزیک، ناوردایی یا تقارن است. تقارن بدان معناست که قوانین یاد شده در تمام شرایط قابل تصور صدق می‌کنند. این بدان معناست که قوانین مزبور بیانگر ماهیت موضوع پژوهش و شیوهٔ رفتار آن هستند و به شرایط پیرامونیِ آن وابسته نمی‌باشند. کل قوانین فیزیک، نسبت به همهٔ شرایط ناوردا هستند. تنها متغیری که این تقارن در هم می‌شکند، زمان است و منشا این نقض شدنِ تقارن، قانون دوم ترمودینامیک است. محور زمان، تنها شاخص فیزیکی است که جهت دارد و در مسیر مشخصی جریان می‌یابد و بسته به این جهت، رفتار سیستمها دگرگون می‌شود.

برای درک دقیقتر این مفهوم اشاره به مثالی روشنگر است. قانونی مثل F=Ma را در نظر بگیرید. این قانون بیان می‌کند که شاخصی مثل نیرو، با دو شاخص دیگر (شتاب و جرم) رابطه دارد. این معادله نسبت به محورهای مکان ناورداست. یعنی اگر به جسمی در جهتی نیرو وارد کنیم، شتاب آن بسته به جرمش -و نه چیزی دیگر- تعیین می‌شود. اگر به همان جسم در جهت معکوس نیرو وارد کنیم، بار دیگر تنها جرم آن است که شتابش را تعیین می‌کند. جهت اعمال نیرو و مکانِ ظهور چنین پدیده‌ای در صحت این معادله تاثیری ندارد. مکان زمینه‌ای خنثاست که قانون یاد شده همواره در آن صدق می‌کند. مهم نیست شما در چه جهتی بر جسم نیرو وارد کنید و کجا این کار را انجام دهید، قانون یاد شده در کل کائنات و در تمام جهتهای قابل تصور برای اعمال نیرو، مصداق دارد.

اما قانون دوم ترمودینامیک چنین وضعیتی ندارد. این قانون نسبت به محور زمان ناوردا نیست. اگر سیستم بر محور زمان «پیش برود» یعنی از گذشته به آینده حرکت کند، قانون دوم ترمودینامیک صدق می‌کند، و اگر جهتی معکوس برای آن فرض شود، اعتبار این قانون از بین می‌رود. سیستمهای باز تنها در شرایطی که زمان در جهت خاصی حرکت کند، آنتروپی خود را افزایش می‌دهند از این روست که زمان در معادلات فیزیکی به صورت متغیری مستقل وارد می‌شود و به صورت شاخصی عام عمل می‌کند که «جهت و ترتیب» رخدادها را نشان می‌دهد.

منبع[ویرایش]

کتاب فیزیک از آغاز تا امروز نوشته حسین جوادی چاپ دوم شهریور ۱۳۸۷ انتشارات اندرز