"/>قانون شامل لـ "سهم الزمن"

قانون شامل لـ “سهم الزمن”

قانون شامل لـ “سهم الزمن”


الانفجار الكبير: نظرة جديدة على الظواهر المنتشرة تكشف عن السلوك المفاجئ للفركتلات التي يمكن أن تعطينا أدلة حول الكون المبكر وسهم الوقت.

بشكل عام ، كلا من القهوة والكون يقتربان من التوازن الحراري.

صب بعض الحليب في القهوة ، وخفقت البيض والأشكال الشبيهة باللبلاب تدريجياً إلى اللون البني ، وفقاً لـ Big Bang. بعد نصف ساعة ، يبرد المشروب إلى درجة حرارة الغرفة. اتركه لبضعة أيام ، سوف يتبخر الماء. بعد عدة قرون ، سوف يتقلص الكأس ، وبعد مليارات السنين ، ستتفرق جميع الكواكب والشمس والنظام الشمسي. في جميع أنحاء العالم ، تنبعث كل المواد والطاقة من النقاط الساخنة مثل القهوة والنجوم ، وتنتشر في نهاية المطاف بالتساوي في جميع أنحاء الفضاء بعد تريليونات السنين. وبعبارة أخرى ، ينتظر مستقبل مماثل القهوة والكون.

يطلق على هذا الإطلاق التدريجي للمادة والطاقة “التوازن الحراري” ، وهو وجهة “سهم الوقت”. لكن حقيقة أن سهم الوقت لا رجعة فيه ، حيث يبرد القهوة الساخنة ولكن لا يسخن من تلقاء نفسه ، لم يتم كتابتها في الدساتير التي تنظم حركة جزيئات القهوة. التوازن الحراري هو نتيجة إحصائية أكثر: من حيث الاحتمال ، تنتشر حرارة القهوة في الهواء أكثر بكثير من تركيز جزيئات الهواء البارد للطاقة داخل القهوة ، تمامًا مثلما يؤدي التشتت العشوائي للحزم الجديدة من أوراق اللعبة إلى تعطيل ترتيبها. وتكرارها عمليًا لا يجعلها ناضجة مرة أخرى من حيث التسلسل. عندما تصل القهوة والأكواب والهواء إلى التوازن الحراري ، لا تتدفق المزيد من الطاقة بينهما ولا تحدث تغييرات أخرى. لذلك ، يسمى التوازن الحراري على المستوى الكوني “الموت الحراري للكون”.

ولكن في حين أنه من السهل معرفة ما سيؤدي إليه التوازن الحراري (في الأمثلة المقدمة للقهوة الدافئة والموت المحتمل للحرارة العالمية) ، فإن كيفية بدء هذه العملية أقل وضوحًا. يقول J گer rgen Bergs ، وهو فيزيائي نظري في جامعة هايدلبرغ في ألمانيا ، والذي كان يدرس هذا الموضوع لأكثر من عقد من الزمان: “إذا بدأت بقدر التوازن كما كان عليه في أوائل الكون ، فإن السؤال هو ، كيف ظهر سهم الوقت؟” وما هي المبادئ الأولية وراء ذلك؟ “

على مدى السنوات القليلة الماضية ، اكتشف بيرغز وشبكة من الزملاء الجواب المذهل. ووجد الباحثون قواعد بسيطة تسمى “التعلم” تحكم المراحل المبكرة من التغيير في مجموعة متنوعة من الأنظمة التي تنطوي على العديد من الجسيمات وبعيدة عن التوازن الحراري. تظهر حساباتهم أن هذه الأنظمة ، مثل سخونة البلازما التي تم إنتاجها على الأرض وأبرد الغازات ، بالإضافة إلى ربما مجال طاقة ملأ نظريًا الكون في إعادة تفرعه الأول ، تبدأ في التطور عندما يبدأ. . يتم وصف هذا التطور من خلال عدد صغير من الأرقام العالمية المماثلة ، بغض النظر عن ما يتكون النظام.

تظهر هذه النتائج أن المراحل المبكرة من التوازن الكوني حدثت بطريقة مختلفة تمامًا عما حدث لاحقًا. تظهر الأنظمة المتوازنة ، على وجه الخصوص ، سلوكًا يشبه الفراكتل. وهذا يعني أن هذه الأنظمة تبدو متشابهة جدًا في مقاييس الزمان والمكان المختلفة. تتغير خصائصها فقط مع ما يسمى “قابلية التوسع”. لقد وجد العلماء أن هذه القدرات غالبًا ما تكون أرقامًا بسيطة مثل ½ و و هم.

على سبيل المثال ، يمكن “تحجيم” سرعة الجسيمات في كل مرة ، وفقًا لهذه القوة ، للحصول على السرعات في أي وقت قبل وبعد. يبدو أن جميع الأنظمة الكمومية ، في ظروف مبكرة مختلفة تمامًا ، موجودة في هذا النمط الشبيه بالفركتال وتظهر تحجيمًا منتشرًا لفترة من الزمن قبل الانتقال إلى التوازن الحراري القياسي.

اقرأ
تم تسجيل أوضح صور للشمس

قالت نيكول يونغر هالبيرن ، فيزيائية الكم بجامعة هارفارد ، وهي ليست عضوًا في زملاء بيرغز: “أجد هذا مثيرًا لأنه يمهد الطريق للتوحيد الذي يمكننا استخدامه لفهم مجموعة متنوعة من الأنظمة غير المتوازنة”. “نأمل أن نتمكن من خلال هذه الدراسات حتى من وصف أنظمة معقدة ومعقدة بأنماط بسيطة.”

يفتح بيرغز رؤية ، وكرائد في المساعي النظرية ، يشرح فيزياء التوسع الشامل مع سلسلة من المقالات المبكرة من عام 2008. اتخذ هو وأحد زملائه خطوة أخرى في تعزيز قابلية التوسع الشاملة هذا الربيع بمقالة في Journal of Review Physics ، والتي كانت استكشافًا لـ “التحجيم المسبق”. أيضًا في شهر مايو ، قامت مجموعة بقيادة توماس جاسينر من Hedenberg بفحص التحجيم المسبق في مقالة في مجلة Physical Review ، والتي كانت نظرة متعمقة على بدايات سلوك كسورية.

يسعى بعض الباحثين الآن إلى ديناميكيات بعيدة عن التوازن ، حيث تستمر الاستكشافات الأخرى لأصل الأعداد العالمية. يقول الخبراء أن القياس الشامل يساعد على تعميق الأسئلة المفاهيمية حول كيف يمكن للأنظمة الكمومية تحقيق التوازن الحراري.

وقال زوران هزيبابيك من جامعة كامبريدج “إن هذا تطور مضطرب من نواح عديدة”. يدرس هو وفريقه الحجم الكلي لذرات البوتاسيوم 39 من الغاز الساخن مع زيادة مفاجئة في قوة التفاعل للذرات ، ثم السماح لها بالتطور.

شلالات الطاقة

عندما بدأ بيرغس في دراسة الديناميات بعيدًا عن التوازن ، أراد أن يفهم الظروف القصوى في بداية الكون. أي الظروف التي نشأت منها جسيمات الكون الحالي. لا بد أن هذه الظروف حدثت مباشرة بعد “التضخم الكوني”. يعتقد العديد من علماء الكونيات أن الانفجار العظيم كان له قفزة ، والتي تسمى التضخم الكوني. سوف يدمر التضخم على الفور كل جسيم موجود ، تاركًا فقط الطاقة الموحدة لمساحته الخاصة.

مجال طاقة سلس وكثيف ومتأرجح يسمى “مكثف”. قام بيرغ بتصميم نموذج Chegalide في عام 2008 مع ألكسندر روتكوبوف وجوناس شميت. ووجدوا أن المراحل الأولى من التطور المكثف يجب أن تظهر مقياسًا شبيهًا بالكسور. “لقد وجدنا أن العملية التي يتم من خلالها تقليل هذه الكثافة الكبيرة إلى الجسيمات التي نراها اليوم يمكن وصفها ببعض الفروق الدقيقة الدقيقة” ، كما يقول. J N rgen Bergs ، أستاذ جميع الفيزياء في جامعة هايدلبرغ ، في طليعة الجهود لفهم شمولية الديناميكيات الديناميكية.

لفهم شكل المقياس الشامل ، ضع في اعتبارك مثالًا تاريخيًا واضحًا للاكتشافات الحديثة. في عام 1941 ، وصف عالم الرياضيات الروسي أندريه كالموجروف طريقة شلالات الطاقة للسوائل المضطربة. على سبيل المثال ، عند مزج القهوة ، تقوم بإنشاء دوامة كبيرة المساحة. وجد Kalmogorov أن الدوامة تنتج تلقائيًا دوامات أصغر. أثناء مزج القهوة ، تتدفق طاقتك القابلة للحقن إلى النظام ، في النطاق المكاني ، إلى دوامات أصغر وأصغر. يوصف هذا التيار من خلال معدل نقل الطاقة بعامل تناقص -3.5 أن كالموجوروف استنتج هذا العامل من أبعاد السوائل.

بدت قاعدة كالموغروف “3.5” ، حتى لو تم استخدامها كأساس لأبحاث السوائل المضطربة ، غامضة دائمًا. لكن الفيزيائيين وجدوا الآن بشكل متأصل ظاهرة قابلية انتشار الفركتال المنتشرة في ديناميكيات بعيدة عن التوازن تشبه ظاهرة الشلالات. وفقًا لبرجس ، من المرجح أن تحدث شلالات الطاقة في منطقتين. لأن هذه الشلالات هي الطريقة الأكثر فعالية لتوزيع الطاقة على جميع المقاييس. نعتقد أنها غريزية ، ويشير بيرغز ، “إذا كنت تريد نشر السكر على قهوتك ، فأنت تخلطها ، وإذا فعلت ذلك بالطريقة المعاكسة ، فأنت تعلم أنها الطريقة الأكثر فعالية للقيام بذلك.” “إنها إعادة توزيع للطاقة”.

اقرأ
المذنب الصيد جمعية أياز الفلكية

هناك اختلاف جوهري بين ظاهرة التحجيم الشامل في أنظمة بعيدة عن التوازن ودورات كسورية صغيرة في السوائل المضطربة: في حالة السوائل ، يصف قانون كالموجروف تدفق الطاقة في الأبعاد المكانية. في هذه الدراسة الجديدة ، يرى الباحثون أنظمة غير متوازنة تحت مقياس فراكتل شامل ، في المكان والزمان.

المراحل الأولى من التغيير: التوازن الحراري (اتجاه الطاقة للانتشار عبر نظام من الجسيمات ، حتى يصل هذا النظام إلى التوازن الحراري) هو هدف سهم الزمن. وقد أظهرت الأبحاث الحديثة أن هذه العملية تحدث أولاً بمرحلة تشبه الفراكتل تسمى “التحجيم المنتشر”. في هذه المرحلة ، يكون النظام “متشابهًا ذاتيًا” ، حيث يمكن إعادة قياس خصائص الجسيمات في لحظة للتعبير عن الخصائص قبلها وبعدها. إليك كيفية وصف هذا الحدث الافتراضي في الكون المبكر.

 photo
1. غير متوازن: بعد توسع الفضاء ، امتلأ الكون بحقل كثيف من الجسيمات التي كانت تتحرك كلها بسرعة معينة.
 غير مسمى
الصورة اليسرى (2): مقياس شامل: الجسيمات تكسب أو تفقد السرعة بأغنية واحدة. تشكل الجسيمات منخفضة السرعة في النهاية كثافة الخلفية. الصورة اليمنى (3): التوازن الحراري: تتحرك الجسيمات بعيدًا عن بعضها البعض وتبدد طاقتها حتى تصل إلى التوازن.

تأمل ولادة الكون. بعد التضخم الكوني ، أصبح المذبذب المفترض ، الفضاء المكثف الكثيف ، مجالًا كثيفًا من الجسيمات الكمومية ، وكلها تتحرك بسرعة معينة. افترض بيرغز وزملاؤه أن هذه الجسيمات غير المتوازنة ، في ذلك الوقت ، أظهرت التحجيم الجزئي السائد من خلال إمكانات قابلية التحجيم ، حيث بدأوا التحول الحراري للكون.

وفقًا لحسابات الفريق والمحاكاة الحاسوبية ، بدلاً من شلال واحد ، على غرار ما رأيته في السائل المضطرب ، سيكون هناك شلالان يتدفقان في اتجاهين متعاكسين. كلما زادت سرعة الجسيمات في النظام ، كلما كانت أبطأ من لحظة إلى أخرى ، كلما كانت السرعة أبطأ وأبطأ مع إيقاع معين. في هذا المثال ، يتم تقليلها بواسطة قوة تحجيم تقدر بـ -3.2. في النهاية ، تستقر الجسيمات ويتشكل مادة صلبة أخرى. (هذه الكثافة الجديدة لا تتقلب ولا تتحول إلى جزيئات ، ولكنها تختفي تدريجياً).

بالإضافة إلى ذلك ، تتدفق معظم الطاقة المفقودة من الجسيمات إلى عدد صغير من الجسيمات ، والتي يتم الحصول عليها بمعدل 5 توان مع الإيقاع الحاكم ، وتبدأ هذه الجسيمات في التحرك بسرعة كبيرة. تتحلل الجسيمات السريعة لاحقًا إلى الكواركات والإلكترونات والجسيمات الأولية الأخرى. ستخضع هذه الجسيمات إلى توازن حراري قياسي ، وتبتعد عن بعضها البعض وتبدد طاقتها. هذا الاتجاه لا يزال مستمرا في الكون وسيستمر تريليونات السنين.

تحدث البساطة

لا يتم اختبار الأفكار عن الكون المبكر بسهولة. ولكن في عام 2012 ، وجد الباحثون أن السيناريو غير المتوازن يحدث أيضًا في التجارب. على سبيل المثال ، عندما اصطدمت نوى الذرات الثقيلة بسرعة الضوء تقريبًا في اصطدام أيون نسبي ثقيل وتصادم هادرون كبير. خلقت هذه التصادمات النووية تكوينًا غير متوازن للمادة والطاقة ، ثم تحولت إلى التوازن. قد تعتقد أن هذه اللقاءات تثير ارتباكًا معقدًا ، ولكن عندما حلل بيرغز وزملاؤه التصادمات نظريًا ، وجدوا الهيكل والبساطة.

اقرأ
هل تشكلت "المادة المظلمة" من الثقوب السوداء الأولى؟

يقول بيرجز: “يمكن تشفير الديناميات بعدد قليل من الأرقام”. استمرت هذه الخطة. حوالي عام 2015 ، بعد التحدث إلى المجربين الذين كانوا يبحثون في ذرات الغاز فوق البنفسجي في المختبر ، احتسب بيرغز وغاسانزر وغيرهم من المنظرين أن هذه الأنظمة يجب أن تكون قابلة للتطوير أيضًا بعد التبريد السريع في التوازن. تبين.

في الخريف الماضي ، أبلغت مجموعتان ، بقيادة ماركوس أوبيرتالر من هايدلبرغ بقيادة J اش آر جي شميت ماير من مركز فيينا للعلوم والتكنولوجيا ، في وقت واحد في دورية Nature أن مقياسًا شبيهًا بالفركتال في خصائص مختلفة لأكثر من 100.000 ذرة غاز. لوحظ تغير في جميع أنحاء المكان والزمان. يقول بيرجز: “الأمر بسيط مرة أخرى”. كان بيرغز أول من توقع هذه الظاهرة في مثل هذه الأنظمة. ويضيف: “يمكنك أن ترى أنه يمكن وصف الديناميكيات من خلال العديد من إمكانات قابلية التوسع ووظائف التحجيم الشاملة. وقام بعضها بما تم توقعه للجسيمات في الكون المبكر. هذا هو الشيء اللائق الذي يجب القيام به ، ويجب أن ينتهي عند هذا الحد “.

يعتقد الباحثون الآن أن ظاهرة المقياس النانوي المتفشي للذرات شديدة البرودة تحدث ، على سبيل المثال ، عند 10 تريليون مقياس كلفن من التصادمات النووية و 10000 تريليون مقياس كلفن من الكون المبكر. يقول بيرغز: “هذه نقطة تحول حيث يمكنك أن تتوقع رؤية هذه الظواهر على مجموعة متنوعة من المقاييس الطولية والحيوية”.

“قد يكون الكون المبكر هو الأكثر طبيعية ، ولكن الأنظمة المعملية المعزولة والمُحكَمة للغاية تمكن العلماء من فهم القوانين المنتشرة التي تحكم المراحل الأولى من التغيير.” كما يقول Hazibabik: “نحن نعرف كل شيء داخل الصندوق. “هذه التجارب ، إلى جانب البيئة ، تسمح لك بدراسة هذه الظاهرة في شكلها النقي.”

كانت إحدى الضغوط الهامة على الباحثين هي فهم مصدر قابلية الأنظمة للتوسع. في بعض الحالات ، قام خبراء الاتصالات بتتبع إمكانات المساحة التي يشغلها النظام بالإضافة إلى تناظره. وتجدر الإشارة إلى أن تناظر جميع الأساليب هو أن النظام يمكن أن يتغير بدون تشوه (تمامًا مثل مربع ، عندما يتم تدويره 90 درجة ، يبقى كما هو دون تغيير).

تساعد هذه التصورات على مواجهة مفارقة حول ما يحدث للتوازن الحراري للنظام للحصول على معلومات سابقة. تتطلب ميكانيكا الكم عدم فقدان المعلومات المتعلقة بماضيهم أبدًا مع تغير الجسيمات. ولكن يبدو أن التوازن الحراري يناقض هذا: عندما يترك فنجانان من القهوة في درجة حرارة الغرفة ، كيف يمكنك معرفة أيهما كان أكثر حرارة في البداية؟

مع بدء النظام في التطور ، يتم الحفاظ على التفاصيل الأساسية ، مثل التماثلات ، وترميزها في إمكانات التحجيم التي يمليها التحول الفراغيلي ، في حين أن التفاصيل الأخرى مثل التكوين الأولي للجسيمات والتفاعلات بينها سلوكية. ترتبط ببعضها وتخلط بين جزيئاتها.

في الواقع ، تحدث عملية الخلط هذه بسرعة كبيرة. في ربيع هذا العام ، وصف بيرغز ، وغاسنر ، وزملاؤه الآخرون بشكل مستقل التحجيم المسبق لأول مرة. التقشير المسبق هو فترة قبل التحجيم الكوني الذي تنبأوا به في أوراقهم لضرب النوى والذرات شديدة البرودة ، على التوالي. يظهر التحجيم المسبق أنه عندما يخرج النظام لأول مرة من حالته الأصلية ويفقد توازنه ، فإن قدرات القياس لا تصفه بالكامل. يحتفظ النظام ببعض البقايا الهيكلية المتبقية من تكوينه الأولي. ولكن مع تقدم التوسع المسبق ، يأخذ النظام شكلًا أكثر انتشارًا في المكان والزمان ، مما يجعل المعلومات غير الضرورية حول ماضيه الغامض. إذا تم إطلاق الفكرة من خلال التجارب المستقبلية ، فقد يكون التحجيم المسبق هو استنزاف سهم وقت الإطلاق.

كتبه ناتاليا Volchuer

ترجمة: سيد أمين مهنابور – مرجان أحمدي / موقع بيغ بانغ العلمي

مصدر: Quantamagazine.org

إرسال تعليق

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *