بعد از اینکه پلانک فرمول اساسی خود را در مورد تابش جسم سیاه ارائه داد و چنین استدلال نمود که تابش دارای طبیعت کوانتومی‌ است، یعنی تابش الکترومغناطیسی از مجموعه‌ای از کوانتومهای انرژی به نام فوتون تشکیل شده است، تحول شگرفی در علم فیزیک حاصل شد. بطوری که با استفاده از این مفهوم اندرکنشهای مختلف تابش با ماده که نظریه کلاسیک در توجیه آنها ناتوان بود، بطور کامل تشریح گردید. از جمله این اندرکنشها ، اندرکنشی است که به نام فوتوالکتریک معروف است.







اگر یک صفحه فلزی را تحت تابش امواج پر انرژی قرار دهیم، پرتو کاتدی و یا الکترونهای شتابدار از صفحه فلزی منتشر می‌شود. و همچنین اگر بین دو صفحه فلزی اختلاف پتانسیل الکتریکی بسیار زیادی ایجاد کنیم، الکترونهای لایه ظرفیت اتمهای فلز ، انرژی زیادی دریافت می‌کنند و در نتیجه سطح فلز را ترک می‌کنند و به سمت آند پیش می‌روند. در این عمل چون هم نور و الکتریسیته دخالت دارند به این پدیده ، اثر فوتو الکتریک می‌گویند. در واقع تمام مواد (جامد ، مایع و گاز) می‌توانند در شرایط خاصی تحت تأثیر اثر فوتوالکتریک ، پرتو کاتدی از خود گسیل کنند، گاهی به پرتو کاتدی ، فتوالکترون نیز می‌گویند.

اثر فتوالکتریک هر جسمی با گسیل فرکانس مشخصی از موج انجام می‌شود. اگر فرکانس موج برای جسم خاصی کمتر از حد معین باشد، که به آن بسامد قطع می‌گویند، اثری از فتوالکتریک مشاهده نخواهد شد. اما طبق قوانین الکترودینامیک کلاسیک ، موج با برخورد به صفحه فلزی مقداری انرژی به آن منتقل می‌کند و به مرور زمان این انرژی انباشته می‌شود تا اینکه انرژی مورد نیاز برای گسیل الکترون فراهم شود. اما در آزمایشگاه خلاف آنچه که در فیزیک کلاسیک گفته شد، روی می‌دهد، یعنی گسیل موج با فرکانس کمتر از حد معین به فلزی هرگز پرتو کاتدی منتشر نمی‌کند.

تاریخچه

در سال 1887 ، اثر فوتو الکتریک توسط هرتز کشف شد. او در حالی که سرگرم آزمایشهای معروف خود درباره امواج الکترومغناطیسی بود، دریافت که طول جرقه القا شده در مدار ثانویه هنگامی ‌کاهش می‌یابد که دو انتهای شکاف جرقه در برابر نور ماورا بنفش که از جرقه در مدار اولیه می‌آمد، پوشانده شود.

ساختار فوتو الکتریک

یک محفظه شیشه‌ای در نظر بگیرید که در دو انتهای آن ، آند و کاتدی تعبیه شده است و داخل محفظه خلا می‌باشد. اگر بر سطح کاتد ، نوری با فرکانس معین بتابانیم، با احراز شرایط خاص ، فلز کاتد الکترون گسیل می‌کند. اگر آند و کاتد را به یک مدار خارجی وصل بکنیم، الکترون گسیل شده ، جذب آند شده و یک جریان فوتو الکترونی در مدار خارجی برقرار می‌گردد.

مشخصات اثر فوتوالکتریک

• هر فلزی دارای یک فرکانس‌ ویژه است، بطوری که اگر فرکانس نور تابشی کمتر از این مقدار ویژه باشد، هیچ الکترونی از سطح کاتد گسیل نمی‌شود. این فرکانس‌ ویژه را فرکانس‌ آستانه می‌گویند. شایان ذکر است که فرکانس‌ آستانه از فلزی به فلز دیگر ، تغییر می‌کند و هر فلزی دارای فرکانس‌ آستانه مخصوص به خود است. بر اساس نظریه کلاسیک این خصوصیت غیر قابل ‌توجیه بود.
  
  
• بزرگی جریان فوتو الکترونی با شدت نور تابیده بر سطح کاتد مناسب است، بطوری که اگر شدت افزایش یابد، مقدار جریان فتو الکترونی نیز افزایش پیدا می‌کند. این موضوع توسط نظریه کلاسیک قابل توجیه بود.
  
  
• انرژی فوتو الکترونها از شدت نور تابیده بر سطح کاتد مستقل است، ولی با فرکانس نور تابشی بصورت خطی تغییر می‌کند. این خاصیت در نظریه کلاسیک غیرقابل‌توجیه بود.
  
  
• گسیل الکترون از سطح کاتد بصورت آنی صورت می‌گیرد، یعنی بلافاصله بعد از تابش ، الکترون گسیل می‌شود. به عبارت دیگر ، تأخیر زمان بین تابش و گسیل الکترون هرگز مشاهده نشده است، یا لااقل زمانی بیشتر از 10^-9 ثانیه ، حتی با تابش فرودی با شدت بسیار کم نیز مشاهده نشده است.
  
  
• اثر فتو الکتریک توسط الکترونهای تقریبا آزاد صورت می‌گیرد، یعنی الکترونهای لایه‌های داخلی فلز در این اثر دخالت ندارند.

اساس کار فوتو الکتریک

انیشتین تابش را متشکل از مجموعه‌ای از کوانتومهایی با انرژی hv در نظر گرفت که در آن v فرکانس‌ نور و h ثابت پلانک معروف است. جذب تک کوانتوم بوسیله الکترون ، فرآیندی که ممکن است در زمانی کمتر از 10^-9 ثانیه صورت گیرد، انرژی الکترون را به اندازه hv افزایش می‌دهد. مقداری از این انرژی باید صرف جدا کردن الکترون از فلز شود. از طرف دیگر ، گفتیم که هر فلزی دارای یک فرکانس آستانه است که در فرکانسهای پایینتر از آن فتوالکتریک غیر ممکن است.

بنابراین اگر فرکانس‌ آستانه را با v₀ نشان دهیم، در این صورت کمیت w = hv₀ به عنوان تابع کار فلز تعریف می‌شود. بنابراین شرط ایجاد اثر فوتوالکتریک این است که hv (انرژی نور تابشی بر سطح کاتد) بیشتر یا مساوی w باشد. اگر سرعت الکترون گسیل شده از کاتد را با V نشان دهیم، همواره بین فرکانس‌ نور تابشی ، سرعت فتوالکترونها و تابع کار رابطه زیر برقرار است:

mv²/2 = hv - w

رابطه فوق از قانون بقای انرژی حاصل می‌گردد. این رابطه به فرمول انیشتین نیز معروف است. میلیکان آزمایشهای جامعی انجام داد و صحت فرمول انیشتین را تثبیت نمود. آنچه آزمایشهای میلیکان و پیشینیان ثابت کرد این بود که بعضی اوقات نور نظیر مجموعه‌ای از ذرات رفتار می‌کند و این ذرات می‌توانند بطور انفرادی عمل کنند، طوری که می‌توان به موجودیت یک تک فوتون فکر کرد و به دنبال خواص آن بود. (ماهیت ذره‌ای نور) نتیجه جنبی این آزمایشها حاکی از اطلاعاتی در مورد فلزات بود، آشکار شد که تابع کار W از مرتبه چند الکترون ولت است (1ev=1.6x10^-19j) و این می‌توانست با سایر خواص فلزات هم بسته باشد.

نگاه اجمالی

باتری خورشیدی یا سلولهای فوتو ولتایی ابزارهایی الکترونیکی هستند که با استفاده از پدیده فوتو ولتائیک ، نور یا فوتون را مستقیما به جریان و ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌کنند. دانشمندان اولین باتری خورشیدی را در سال 1954 ، با استفاده از ماده نیمه رسانای سیلیسیوم ، در آزمایشگاههای تلفن بل ساختند.

سیر تحولی و رشد

دانشمندان و مهندسان بلافاصله به ارزش باتریهای خورشیدی برای تأمین انرژی ماهواره‌ها پی‌بردند، زیرا این باتریها جرم کمی دارند و هیچ بخش متحرک مکانیکی ندارند. نخستین ماهواره آمریکایی در فضا به باتریهای خورشیدی از جنس سیلیسیوم مجهز شد. و امروزه هم سلول فوتو ولتایی سیلیسیومی هنوز منبع قدرت همه سفینه‌های فضایی هستند. البته در این میان کاوشگرهایی که به فراسوی منظومه شمسی و مکان میانی که نور خورشید در آنجا ضعیف است رهسپار می‌شوند، استثنا هستند.

تهیه باتری خورشیدی

باتری خورشیدی اولیه از تک بلور سیلیسیوم (Si) ساخته می‌شد که روی صفحات تختی کنار هم قرار می‌گرفت. کاربرد این روش ، برای مصارف عمومی و تولید انرژی در فضایی بزرگ ، بسیار گران تمام می‌شود. هر چند ماده خام SiO₂ برای تهیه Si فراوان است، اما پالایش شن و خالص سازی کافی Si برای تهیه باتریهای خورشید پر هزینه است. برش قطعات بلوری منفرد به صورت قطعه‌ نازکی که ویفر نام دارند، نیازمند بریدن با الماس ، پرداخت بیشتر و بالاخره چندین عمل اضافی برای افزودن ناخالصیهای مناسب است.

کاهش هزینه ساخت

یک روش ممکن برای کاهش هزینه ، که در مورد بلوری گران قیمت نظیر Si و اخیرا گالیوم ارسنید (GuAs) ، استفاده از عدسی بزرگ و ارزان قیمت فرنل برای تمرکز نور روی سلول کوچک است. ضرایب تمرکز 25 تا 1000 با موفقیت بکار گرفته شده است. اگر چه طراحی تمرکز دهنده‌ها نیاز به ردگیری دو بعدی وضعیت خورشید در طول روز است.

استفاده از مواد در باتری خورشیدی

طرح بسیار نوید بخش دیگری برای سلول فوتو ولتایی ، کاربرد ورقه‌های فیلمهای بسیار نازکی است که روی مواد نظیر شیشه یا فولاد زنگ نزن نشانده می‌شوند. سه ماده که به صورت ورقه‌های نازک (به ضخامت تقریبی 1 تا 3 میکرومتر) نتایج فوتوولتایی خوبی بدست داده‌اند. عبارتند از: سیلیسیوم هیدروژن دار آدورف (α - Si:H) ، سی اندپوم دی سلیند (CuLnSe₂ یا بطور ساده CIS) و کادمیوم تلورید (CdTe). ماده‌ α - Si:H به صورت ورقه‌های نازک با ساختار آمورف ، ساختار چند بلوری با دانه‌هایی به صورت ورقه‌های نازک با ساختار بلوری با دانه‌هایی به اندازه حدود 1 میکرومتر کاربرد دارند.

خورشید فوتو ولتایی در باتری خورشیدی CdTe

فرآیند فوتو ولتایی در باتری خورشید CdTe در شکل زیر داده شده است. هر کوانتوم نور (فوتون) دارای انرژی hv است که در آن h ثابت پلانک و v بسامد نور است. (υ = C/λ) که در آن C سرعت نور و λ طول موج نور است). چنانچه انرژی فوتون بیشتر از گاف انرژی نیم رسانا (فاصله میان نوارهای نوارهای ظرفیت و رسانش) باشد، به آن صورت فوتون جذب ماده می‌شود و الکترونی را از نوار ظرفیت برانگیخته می‌کند و به نوار رسانش می‌برد که الکترون در آنجا می‌تواند آزادانه درون بلور به حرکت در آید.

الکترون بار منفی دارد، اما حفره ایجاد شده در نوار ظرفیت دارای بار مثبت است. وقتی که الکترون حفره به سرعت از هم جدا نشوند، الکترون جذب حفره مثبت می‌شود و بدون ایجاد هیچ جریانی نابود خواهد شد. بنابراین لازم است که میدان الکتریکی برای جداسازی بارها برقرار شود. این کار با افزودن مقدار کمی ناخالصی آلاییده به نیم رسانا و ایجاد پیوندگاهی میان مناطق نوع n (که ذرات حامل بار در آن بار منفی دارند) و نوع p (که با ذرات حامل در آن مثبت است) انجام می‌شود، شکل 1 پیوند ناهمگنی را نشان می‌دهد که کادمیوم سولفید (CdS) نوع n و کادمیوم تلورید (CdTe) نوع p تشکیل شده است.

هنگامی که فوتون ، زوجهای الکترون - حفره را در نزدیکی این پیوندگاه n - p که در آن میدان الکتریکی قوی برقرار است ایجاد کند، فرآیند فوتو ولتایی بیشترین بازدهی را خواهد داشت. باتری خورشیدی در این حال حفظ به اتصال های فلزی نیاز دارد. تا با سیم هایی که به جریان الکتریکی در وسیله ای خارجی امکان عبور می دهند مرتبط شود. برای باتری CdS/CdTe ، اکسید قلع (SnO₂) به عنوان اکسید رسانشی شفاف (TCO) برای اتصال به CdS نیز نیکل ، گرانیت ، یا طلا برای اتصال CdTe کاربرد دارند.

مزیت یا بازده باتریهای خورشیدی

باتری خورشیدی معمولا ولتاژهای قله‌ای تولید می‌کند که تقریبا معادل دو سوم گاف انرژی نیم رسانا است. گاف انرژی بهینه برابر 1.0 ev و 1.7 ev است. در روز صاف و هنگامی که آفتاب بالای سر است شدت نور خورشید تقریبا برابر 1000 w/m² است. مدول خورشیدی با بازدهی 10% ، در روز آفتابی توانی در حدود 100 ولت تولید می‌کند. با تابش خورشیدی بدون ابر ، در حد متوسط 6 ساعت در روز ، تعدادی مدول خورشیدی با مساحت 60 متر مربع تقریبا 1000 کیلو وات ساعت برق در هر ماه تولید می‌کند، این در همان حدود مقدار مصرفی است که در خانواده‌های کشورهایی مانند ایالات متحده آمریکا دارد.

مقدمه

هر ماده از تعداد بسیار اتم تشکیل شده است که هر اتم نیز از سه قسمت نوترون ، پروتون و الکترون تشکلیل شده است. تعداد الکترونها با تعداد پروتونها در حالت عادی (خنثی) برابر است، الکترون دارای بار منفی و پروتون دارای بار مثبت می‌باشند، که الکترونها به دور پروتن و نوترون (هسته اتم) با سرعت بسیار زیادی می‌چرخند. در اثر این چرخش نیروی گریز از مرکزی بوجود می‌آید که مقدار این نیرو با مقدار نیروی جاذبه بین الکترونها و هسته برابر است، پس این برابری نیرو الکترونها را در حالت تعادل نگه می‌دارد و نمی‌گذارد که از هسته دور شوند.

یک سیم مسی هم دارای تعداد زیادی اتم و در نتیجه الکترون است. هر گاه ما بتوانیم توسط یک نیرویی الکترونهای در حال چرخش به دور هسته را از مدار خود خارج کنیم و در یک جهت معین به حرکت در آوریم جریان الکتریکی برقرار می‌شود. پس این نکته را دریافتیم که جریان برق چیزی جز حرکت الکترونها نیست، البته این حرکت بصورت انتقالی انجام می‌شود، یعنی یک اتم تعدادی الکترون به اتم کناری خود می‌دهد و اتم کناری نیز به همین ترتیب تعدادی الکترون به اتم بعدی می‌دهد و بدین صورت جریان برقرار می‌شود. پس هر گاه که گفته شود جریان برق کم یا زیاد است، یعنی تعداد الکترونهایی که در مسیر سیم در حال حرکت هستند کم یا زیاد است.

نیروهایی که باعث جدا شدن الکترون از هسته می‌شوند

نیروی مغناطیسی خارجی

هرگاه یک سیم را در یک میدان مغناطیسی حرکت دهیم؛ نیروی این میدان باعث حرکت الکترونهای سیم می‌شود.

ضربه

فرض کنید یک اتوبوس کنار خیابان ایستاده و تمام مسافران آن محکم روی صندلیها نشستند، بعد یک اتومبیل دیگر با سرعت زیاد به جلوی این اتوبوس برخورد می‌کند. حال اتوبوس با سرعت به عقب پرتاب می‌شود و مسافران که در آنها اینرسی سکون ذخیره شده تمایل دارند که به همان حالت سکون باقی بمانند، در نتیجه اتوبوس به عقب رفته ولی مسافران در همان نقطه مکانی باقی می‌مانند. در نتیجه مسافران از صندلیهای خود جدا شده و از شیشه اتوبوس به بیرون پرتاب می‌شوند. پس این نیروی ضربه بود که مسافران را از اتوبوس جدا کرد، به همین صورت نیز ضربه می‌تواند الکترونها را از مدار خود خارج کند. نمونه این تولید برق در فندکها می‌باشد.

انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی نیز دارای نیرویی است که قادر است الکترونها را از مدار خود جدا کند.

حرارت و ...

حرارت باعث می‌شود که جنبش ملکولی اجسام زیاد شود، در اثر این جنبش تعداد زیادی مولکول به شدت باهم برخورد می‌کنند که همان نیروی ضربه را بوجود می‌آوردند و باعث جدا شدن الکترون از اتم می‌شوند. یک سیم مانند دالانی می‌ماند که در یک دوره زمانی مشخص تعداد معینی از افراد می‌توانند از آن عبور کنند، یعنی برای اینکه در دوره زمانی مشخص مثلا در 1 دقیقه افراد بیشتری بتوانند از این دالان عبور کنند باید سرعت حرکت آنها بیشتر شود، در نتیجه در اثر برخورد با هم و با دیواره دالان باعث ایجاد اصطکاک و گرما می‌شوند.

برای سیم نیز چنین اتفاقی می‌افتد، یعنی اگر بخواهیم تعداد الکترونهای در حال حرکت را افزایش دهیم (جریان را افزایش دهیم) سرعت حرکت الکترونها و نیز تعداد الکترونهایی که همراه باهم از مقطع سیم عبور می‌کنند افزایش می‌یابد، در نتیجه اصطکاک افزایش یافته و تولید گرما می‌کند که اگر جریان بیش از حد مجاز خود از سیم عبور کند گرمای تولید شده باعث ذوب شدن سیم می‌شود (سیم می‌سوزد).

ولتاژ

آیا یک منبع که ولتاژش بیشتر باشد برق بیشتری تولید می‌کند یا منبعی که جریانش بیشتر باشد؟ هرگاه یک اتم الکترنهایش را از دست دهد بار منفی آن کم می‌شود و به اصطلاح بطور مثبت باردار شده است، بین بار مثبت و منفی نیروی جاذبه وجود دارد و نیروی جاذبه یک عدد الکترون با نیروی جاذبه یک عدد پروتون برابر است. به همین جهت است که در اتم هر پروتون برای خود یک الکترون اختیار می‌کند تا اینکه بار الکتریکی اتم خنثی شود. در حالت عادی تمام اتمهای یک سیم از نظر بار الکتریکی خنثی هستند، وقتی ما توسط نیروی خارجی الکترونهای اتمهای سیم را جدا می‌کنیم و آنها را به یک سمت هدایت می‌کنیم آن طرف سیم که الکترونها به آنجا هدایت شده‌اند دارای زیادی الکترون است، پس بارش منفی می‌شود و طرف دیگر که کمبود الکترون دارد بارش مثبت می‌شود.

در نتیجه بین دو سر سیم یک اختلاف بوجود می‌آید این اختلاف بصورت انرژی پتانسیل در دو سر سیم ذخیره می‌شود تا زمانی که راهی برای خنثی شدنش پیدا کند. پس در این حالت هیچگونه جریانی در سیم و جود ندارد و فقط یک انرژی پتانسیل دو سر سیم ذخیره شده است که به این نیروی پتانسیل ولتاژ الکتریکی گویند. حال چنانچه نیروی خارجی قطع شود الکترونها به سرعت به جای قبلی خود برمی‌گردند و در یک لحظه چریان برقرار می‌شود.

پس تا زمانی که نیروی خارجی وجود دارد نمی‌گذارد که الکترونها از مسیر همان سیم به جای خود برگردند، پس باید راه دیگری پیدا کنند. برای همین اگر توسط یک سیم دیگر که میدان خارجی آن را تحت تأثیر خود قرار نداده باشد دو سر سیم قبلی را به هم وصل کنیم الکترونها راهی برای حرکت به سمت مکان کمبود الکترون پیدا می‌کنند در نتیجه جریان در سیم برقرار می‌شود. پس نتیجه گرفتیم که در یک مدار الکتریکی کار اصلی را جریان انجام می‌دهد و ولتاژ فقط یک نیروی ذخیره شده است که باعث به حرکت در آوردن الکترونها می‌شود. حال برای بهتر متوجه شدن اینکه ولتاژ چگونه باعث به حرکت در آوردن الکترونها (برقراری جریان) می‌شود، به مثال زیر دقت کنید:

فرض کنید دو لیوان داریم که یکی پر و دیگری نصفه است. لیوانها را در کنار هم قرار داده ، می‌دانیم که بین این دو لیوان اختلاف مقدار آب وجود دارد. همانگونه که بین دو سر سیم اختلاف مقدار الکترون وجود داشت اگر این لیوانها چندین ساعت هم در کنار هم قرار بگیرند هیچ اتفاقی نمی‌افتد، اما چنانچه توسط یک لوله ته دو لیوان را به هم وصل کنیم آب از طرف لیوان پر تر به سمت لیوان نصفه حرکت می‌کند تا زمانیکه سطح آب درون دو لیوان به یک اندازه شود. پس در اینجا اختلاف آب است که باعث حرکت می‌شود و در آنجا اختلاف الکترون (اختلاف پتانسیل) که این اختلاف پتانسیل خود دارای مقدار است که به آن مقدار ولتاژ می‌گویند.

 نوشته: گری استیکس
این سوال ساده امروز شاید بیشتر از هر زمان دیگری پرسیده شود. در جامعه ساعت زده ما هیچ گاه پاسخ، چیزی بیشتر از یک نیم نگاه نیست و ما می توانیم برای انجام وظایف زمان بندی شده خود که دائم فشرده تر می شود، روزها را به قسمت های کوچکتر و کوچکتری تقسیم کنیم و مطمئنا همیشه می دانیم که مثلا الان ساعت هفت و سه دقیقه است. به هر حال رازگشایی های علمی نوین در مورد زمان این سوال را به شکل بی پایانی آزاردهنده می سازد. در جست وجوی شناختی دقیق از زمان، لحظه گریزپای حال در ازدحام محو شونده نانوثانیه ها گم می شود. ادراک ما از زمان حال به علت محدودیت ناشی از سرعت نور و تکانه های عصبی جهان را آن گونه که لحظه ای پیش بود ترسیم می کند. تنها بدان دلیل که خودآگاهی ما طور دیگری وانمود می کند، لحظه اکنون را هرگز درک نمی کنیم. در اصل حتی انطباق کامل رویدادها نیز از دست ما خارج می شود. نسبیت حکم می کند که زمان همچون معجونی عجیب و غریب در ترن های متحرک کندتر از ایستگاه ها و در کوه ها سریع تر از دره ها جاری می شود. زمان ساعت مچی ما دقیقا همانی نیست که در سر ماست. الان «تقریبا» هفت و چهار دقیقه بعد از ظهر است. دریافت های درونی ما از زمان به شدت متناقض اند. زمان هر زخمی را مرهم است اما در عین حال خود ویرانگری است بزرگ. زمان نسبی، اما مداوم است. اینجا زیر بهشت زمان برای هر کاری هست (از کتاب سلیمان در عهد عتیق - م) اما هرگز کافی نیست. زمان جاری است، می خزد و به شتاب می رود. ثانیه ها می توانند هم شکافته شوند و هم کش آیند. زمان بسان رودی روان منتظر هیچ کس نمی ماند اما در لحظات هیجان انگیز می ایستد. زمان به اندازه ضربان های قلب هر کس خصوصی و همچون برج ساعت میدان شهر عمومی است. به هر حال ما برای رفع این تضادها هر کاری از دستمان برآید انجام می دهیم. ظاهرا حالا هفت و پنج دقیقه بعدازظهر است و البته وقت طلاست. زمان، شریک تغییر، حریف سرعت و پول رایجی است که این همه به آن اهمیت می دهیم. زمان گرانبهاترین و بی همتاترین کالای ماست. با این حال هنوز می گوییم نمی دانیم به کجا می رود، یک سوم آن را در خواب به سر می بریم و هیچ کس حقیقتا نمی تواند حساب کند چقدر از چوب خطتمان باقی مانده است. ما می توانیم صدها راه برای صرفه جویی در وقت بیابیم اما به هر حال مقدار باقی مانده پیوسته کاهش می یابد.الان کمی پیش از هفت و شش دقیقه بعدازظهر است.زمان و حافظه به درک ما از هویت مان شکل می دهند. شاید احساس می کنیم که در پناه تاریخ هستیم اما در عین حال خود را عوامل مختاری در آینده می پنداریم، مفهوم زمان به طور نگران کننده ای در ایده های فیزیکدانان و فلاسفه ناقص است. اگر زمان مثل ابعاد فضایی یک بعد است پس باید دیروز، امروز و فردا به یک اندازه مشخص و ملموس باشند. آینده همانقدر بقا دارد که گذشته داشت و تنها در جایی است که ما هنوز ندیده ایم. به هر حال اکنون جایی ساعت هفت و هفت دقیقه بعدازظهر است. خورخه لوئیز بورخس (L.G. Borges) نویسنده آرژانتینی می نویسد «زمان جوهری است که من از آن ساخته شده ام، زمان رودخانه ای است که مرا با خود می برد اما من خود آن رودخانه ام. زمان ببری است که مرا می بلعد اما من خود آن ببرم، آتشی است که مرا می سوزاند اما من خود آن آتشم. اکنون هفت و هشت دقیقه بعدازظهر است، ساعت هایتان را تنظیم کنید.

شماره سپتامبر 2002 نشریه Scientific American ویژه نامه ای بود که تماما به زمان اختصاص داشت. در آن زمان با موضوعات فیزیک، فلسفه، زیست شناسی، انسان شناسی و. . . مورد بررسی قرار گرفته است. در این ویژه نامه خلاصه ای از آنچه علم در مورد چگونگی سیطره و کنترل زمان بر دنیای خارجی و داخلی مان کشف کرده است، بیان شد. این آگاهی تصور ما از زمان را پربارتر خواهد کرد و برای کسانی که آرزو دارند بر زمان غلبه کنند یا دست کم با آن همگام شوند امتیازهایی عملی به حساب می آید. آنچه در زیر می آید مقدمه ای است که توسط گری استیکس (G. Stix) مسئول پروژه های ویژه بر این مجموعه نوشته شده است.

بیشتر از دویست سال پیش بنجامین فرانکلین (Franklin.B) ضرب المثل مشهوری را ابداع کرد که گذر دقایق و ساعت ها را با شیلینگ ها و پوندها برابر می گرفت. هزاره جدید و آخرین دهه های پیش از آن مفهوم حقیقی سخنان وی را به نمایش گذاشته است. زمان در قرن بیست و یکم به همان چیزی تبدیل شده است که سوخت های فسیلی و فلزات گرانبها در دوره های پیشین بودند. این ماده خام حیاتی با اندازه و نرخی ثابت عامل محرک رشد اقتصادهای مبتنی بر ترابایت و گیگابایت در ثانیه (اقتصاد بر پایه تجارت اطلاعات) است. حتی یک اقتصاددان انگلیسی کوشید تا با بیانی عددی از ضرب المثل فرانکلین روح هزاره ای زمان را تسخیر کند. براساس فرمول استنتاج شده توسط یان واکر (I. Walker) از دانشگاه وارویک، سه دقیقه مسواک زدن دندان های شخصی معادل 45 سنت است، دستمزدی که (بعد از محاسبه مالیات ها و بیمه بازنشستگی) بریتانیایی های با درآمد متوسط با پرداختن به کارهای جانبی از آن چشم پوشی می کنند. براساس این فرمول نیم ساعت شستن ماشین با دست معادل 5/4 دلار است. شاید این ساده سازی زمان به پول، دیدگاه فرانکلین را به نهایتی مضحک بکشاند اما این تمسخر زمان، حقیقی و ناشی از تناوبی ریشه ای در چگونگی نگرش ما به گذر حوادث است. از عصر حجر در هزاران هزار سال پیش تاکنون سائق های بنیادی ما تغییر نکرده است. بسیاری از دغدغه های امروزی ما پیرامون همان انگیزه های خوردن، تولیدمثل و جنگ و گریز، دور می زند. فرهنگ بشری با وجود پایداری این انگیزه های ابتدایی، از زمانی که اجداد شکارچی ـ جمع آورنده ما در جنگل های ساوانا پرسه می زدند، پی درپی دچار تحول شده است. شاید ژرف ترین دگرگونی در گذر طولانی از عصر حجر به عصر اطلاعات پیرامون تجربه شخصی ما از زمان می چرخد.

در یک تعریف، زمان پیوستاری است که در آن رویدادها، از گذشته تا آینده، از پی یکدیگر می آیند. امروزه تعداد رویدادهایی که در یک مدت مشخص فشرده می شود خواه یک سال باشد یا یک نانوثانیه (میلیاردم ثانیه) به شکل بی پایانی افزایش می یابد. عصر تکنولوژی به یک بازی چشم و هم چشمی بدل شده است که در آن بیشتر همیشه بهتر است. جیمز گلیک ( J. Gleik) در کتابش با عنوان «جهان در شتاب» اشاره می کند که پیش از فراگیر شدن ناوگان پست فدرال (نوعی پست هوایی سریع السیر با تحویل خانه به خانه موسوم به FedEX) در دهه ،1980 معمولا تحویل دقیقا یک شبه مبادلات اوراق تجاری نیازی به بسته بندی نداشت. در ابتدا FedEX مشتری هایش را تحت تأثیر قرار داد اما به زودی تمام دنیا انتظار داشتند که اجناس صبح فردا برسند. گلیک می نویسد: «زمانی که همگان پست یک شبه را پذیرفتند بار دیگر مساوات برقرار شد و تنها نوبت یک گام سریع تر جهانی بود. »

ظهور اینترنت بار انتظار برای رسیدن ماشین محموله های پست فدرال در صبح فردا را از میان برداشت. در زمان اینترنتی همه چیز در همه جا به یک باره اتفاق می افتد. کاربران کامپیوترهای متصل به شبکه، در نیویورک یا داکار، می توانند در لحظه ای واحد شاهد آخرین خبر در یک صفحه اینترنتی باشند. در حقیقت زمان بر فضا برتری یافته است. شرکت ساعت سازی سواچ با تلاش برای برچیدن مرزهای زمانی ای که نقاط مختلف را مجزا می کند، گامی بلند در راستای این روند برداشت. سواچ با قسمت کردن روز به 1000 جزء که در همه جای دنیا یکسان هستند و تعیین نصف النهار در شهر بیل سوئیس، محل اداره مرکزی سواچ، استانداردی برای ثبت زمان اینترنتی ایجاد کرد که مناطق زمانی را حذف کرده است. این ساعت اینترنتی دیجیتالی هنوز با گام هایش در حال پیشروی در شبکه اینترنت و ساختمان شرکت سواچ در بیل است. اما دورنمای آن به عنوان استاندارد زمان همگانی فراگیر مشابه آرزوهای بر باد رفته برای تبدیل شدن اسپرانتو به زبانی جهانی است.

به دور از هرگونه فریبکاری دنیای ارتباطات حصارهای زمان را از میان برداشته است. این موفقیت برپایه قابلیت همواره در حال پیشرفت اندازه گیری هرچه دقیق تر زمان استوار است. در طول اعصار، توانایی اندازه گیری زمان مستقیما با افزایش کنترل ما بر محیط زندگی مان مرتبط بوده است. ثبت زمان عملی است که بیش از بیست هزار سال پیش، زمانی که شکارچیان عصر یخبندان احتمالا برای دنبال کردن روزها بین هلال های ماه روی چوب یا استخوان شکاف هایی ایجاد می کردند، برمی گردد و در حدود پنج هزار سال پیش یا بیشتر بابلی ها و مصری ها تقویم هایی برای کشاورزی و سایر فعالیت های حساس به زمان اختراع کردند. ساعت سازان اولیه دیوانه های دقیقی نبودند. آنها چرخه های طبیعی مثل روز خورشیدی، ماه قمری و سال خورشیدی را دنبال کردند. ساعت خورشیدی، اگر ابرها و شب آن را به دکوری بی فایده تبدیل نمی کردند، نمی توانست کاری بیشتر از توصیف یک سایه انجام دهد. اما ساعت مکانیکی که آغاز آن در قرن سیزدهم بود انقلابی را به راه انداخت که هم پای تحول به وجود آمده توسط اختراع بعدی یعنی صنعت چاپ به دست گوتنبرگ، بود. زمان دیگر جاری نشد آنچنان که به معنی واقعی کلمه در یک ساعت آبی می شد. بلکه این بار با مکانیزمی تقسیم شده بود که می توانست تپش های یک نوسانگر را دنبال کند. زمانی که این وسیله اصلاح شد اجازه داد تا گذر زمان در کسرهایی از ثانیه اندازه گیری شود. سرانجام ساعت مکانیکی امکان کوچک شدن ساعت را فراهم کرد. روزگاری آنها با یک فنر مارپیچ و بدون وزنه کار می کردند که می توانست مانند یک جواهر حمل یا پوشیده شود. تکنولوژی قواعد ما را در روش سازماندهی جامعه دگرگون کرد. ساعت ابزاری بود که به افراد امکان داد تا فعالیت هایشان را با سایرین هماهنگ کنند. دیوید لندز (D. Landes) تاریخ دان دانشگاه هاروارد در کتابش با عنوان «انقلاب در زمان: ساعت ها و شکل گری دنیای مدرن» می نویسد: «وقت شناسی از آن منشا گرفته است نه بدون آن. خوب یا بد، این ساعت مکانیکی است که تمدنی را ممکن ساخت که مراقب گذشت زمان و در نتیجه بهره وری و عملکرد است. »

ساعت های مکانیکی قرن ها به عنوان دقیق ترین انواع باقی ماندند. به نسبت 700 سال گذشته در پنجاه سال اخیر شاهد پیشرفت بیشتری در جست وجو برای وقت بودیم. این تنها اینترنت نبود که موجب غلبه بر فضا شد. زمان نسبت به سایر ماهیت های فیزیکی با دقت بیشتری اندازه گیری شده است. به طور مثال از زمان سپری شده برای تخمین زدن ابعاد فضایی استفاده شده است. امروزه استانداردسازان واحد متر را با فاصله ای که نور در 1299792458 ثانیه در خلاء طی می کند، اندازه می گیرند. ساعت های اتمی علاوه بر اینکه در چنین سنجش هایی مورد استفاده قرار می گیرند در تعیین موقعیت نیز نقش دارند. در برخی از آنها فرکانس تشدید اتم های سزیم به طور شگفت آوری پایدار می ماند و تبدیل به پاندول کاذبی می شود که قادر به حفظ دقت در حدود یک نانوثانیه است. ماهواره های سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) دائما موقعیتشان را اعلام و زمان را توسط ساعت های اتمی که روی آنها نصب شده ثبت می کنند. یک دستگاه گیرنده این اطلاعات را نهایتا از چهار ماهواره دریافت و برای تعیین مختصات زمینی عابر، کشتی یا هواپیمایی در پاتاگونیا (منطقه ای در جنوب آرژانتین) یا لاپلند (ناحیه ای در شمال اروپا و در مجاورت قطب شمال) پردازش می کند. شرایط کاملا دقیق هستند. یک خطای زمانی در حدود میلیونم ثانیه از یکی از ماهواره ها می تواند سیگنالی به گیرنده GPS بفرستد که بیشتر از 400 متر اختلاف به وجود آورد (اگر این خطا از سوی سایر ماهواره ها نیز ارسال شود). پیشرفت ها در زمینه ثبت دقیق زمان به سرعت ادامه می یابد. در واقع شاید تا چند سال آینده ساعت سازان از خودشان پیشی بگیرند. آنها احتمالا چنان ساعت های اتمی دقیقی می سازند که همزمان کردن آنها با سایر ساعت ها غیرممکن خواهد بود. علاوه بر این محققان به اصرار خود برای دقیق تر قسمت کردن و کوچک کردن ثانیه ادامه می دهند. نیاز به سرعت به سنگ بنای عصر اطلاعات بدل شده است. در آزمایشگاه ترانزیستورها می توانند سریع تر از یک پیکوثانیه، یک هزار میلیاردم ثانیه، سوئیچ بزنند. یک تیم فرانسوی ـ هلندی رکورد سرعت جدیدی در تقسیم ثانیه به اجزای کوچک ثبت کردند. براساس گزارشی که در سال گذشته منتشر شد یک چراغ چشمک زن لیزری پالس هایی با عمر 250 آتوثانیه (250 میلیارد میلیاردم ثانیه) ساطع کرد. شاید روزی این چشمک زن به شکل یک دوربین فیلمبرداری درآید که می تواند حرکت اتم های منفرد را دنبال کند. عصر مدرن اهداف ثبت شده ای در ارزیابی زمان های بزرگ نیز دارد. روش های تاریخ گذاری رادیومتریک، اندازه گیری زمان های دور، نشان می دهند که اکنون زمین حقیقتا چقدر پیر است. قابلیت تسلط آسان بر زمان و فضا چه در اینترنت و چه در هدایت یک هواپیمای مسافربری تحت کنترل GPS به ما اجازه می دهد کارها را سریع تر انجام دهیم. تنها این مسئله برای آزمایش باقی مانده است که محدوده های سرعت تا کجا می توانند امتداد یابند.

کنفرانس ها و کتاب های عمومی ایده های ماشین زمان کیهانی، مفهومی در سفر به جلو یا عقب در زمان، را به بازی می گیرند اما با وجود توانایی ساعت سازان، زمانی که از «پرواز زمان» سخن می گوییم نه فیزیک دانان و نه فلاسفه هیچ توافقی با آنچه ما در سر داریم، ندارند. سرگشتگی در مورد ماهیت زمان، شگفتی سه جانبه ای که به گذشته، حال و آینده تجزیه می شود، قرن ها پیش تر از دوران صنعتی وجود داشت. سنت آگوستین این معمای توصیفی را روشن تر از هر کسی تشریح کرد. وی در کتاب اعترافاتش پرسید «و سپس زمان چیست؟ می دانم، اگر هیچ کس از من نپرسد و نمی دانم، اگر بخواهم آن را برای کسی که پرسیده توضیح دهم» سپس وی تلاش می کند تا علت دشواری تعریف زمان بندی را توضیح دهد «و سپس چگونه دو نوع زمان، گذشته و آینده، می توانند باشند در حالی که گذشته دیگر نیست و آینده هنوز نیامده است» فیزیکدانان متعصب نیز، آنهایی که با قید و بندهای غیرعملی از مسئولیت شانه خالی می کنند، به سختی با این پرسش درگیر هستند. ما می گوییم زمان در حرکت است همانطور که به سوی مرگ ناگزیرمان می شتابیم. اما این توصیف دقیقا چه مفهومی دارد. بار علمی بیان این مطلب که زمان با سرعت یک ثانیه بر ثانیه سپری می شود به مراتب بیشتر از گفته نن کوان (معمایی ضد و نقیض گونه به مفهوم کسب دانش شهودی که در ذن بودا از آن برای کمک به عبادت استفاده می شود) است. می توان برای جریان جاری زمان نیز نوعی شدت جریان فرض کرد. اما احتمالا چنین مقیاسی به سادگی در دسترس نخواهد بود. در واقع یکی از داغ ترین آنها در فیزیک نظری این است که آیا زمان به خودی خود غیرواقعی است یا نه. اغتشاش، یکی دیگر از آنهاست. فیزیکدانان به قدری در آن پیش رفتند که فلاسفه را به تحقیق در مورد افزایش یا عدم افزایش متغیر زمان به معادلاتشان واداشته اند. جوهر زمان معمای کهنی است که نه تنها ذهن فیزیکدانان و فلاسفه را به خود مشغول کرده بلکه انسان شناسانی که فرهنگ های غیرغربی را بررسی می کنند را نیز جلب کرده است. در واقع این فرهنگ ها سیر حوادث و رویدادها را به شکل حرکت یک توالی دایره وار غیرخطی تلقی می کنند. برای بسیاری از ما زمان نه تنها یک حقیقت بلکه عامل اصلی همه کارهایی است که انجام می دهیم. ما چه به طور ذاتی و چه اکتسابی زمان مدار هستیم. احتمالا احساسی که ما از بودن میان آینده و گذشته و یا در یک مفهوم سنتی از اسیر بودن در ماندالای بزرگ ریتم های طبیعی برگشتی داریم به یک حقیقت زیستی وابسته است. (ماندالا یا نقش نمادین جهان در مراسم مذهبی هندوئیسم و بودائیسم به عنوان ابزاری برای عبادت به کار می رود. اساسا ماندالا نماینده جهان است، ناحیه ای مقدس برای حضور خدایان و نقطه ای برای تجمع نیروهای جهانی. انسان یا همان جهان کوچک با ورود ذهنی به ماندالا و پیشروی به مرکز آن به طور تمثیلی به واسطه فرآیندهای کیهانی، فروپاشی و تجمع مجدد هدایت می شود. ) این حقایق زیستی همان هایی هستند که مقرر می کنند چگونه توپی را با چوب بیسبال بزنیم، کی احساس خواب آلودگی کنیم و چه وقت زمان ما به سر آمده است. امروزه این ریتم های زیستی حقیقی خودشان را به زیست شناسان نشان می دهند. دانشمندان در حال نزدیک شدن به مناطقی از مغز هستند که احساس گذر زمان را در مواقع تفریح به وجود می آورند، در واقع همان قسمت هایی که احساس رخوت تدریجی را به هنگام نشستن در کنفرانسی و گوش دادن به سخنرانی های کسل کننده، تحریک می کنند. همچنین آنها در تلاشند تا با اتصالات میان انواع مختلف حافظه و چگونگی سازماندهی و بازخوانی رویدادها به ترتیب زمانی، پی ببرند. بررسی انجام شده روی بیماران عصبی با حالت های متفاوتی از فراموشی که برخی از آنها توانایی قضاوت دقیق در مورد گذر ساعت ها، ماه ها و حتی دهه ها را از دست داده اند، به تشخیص مناطقی از مغز که در بردارنده چگونگی تجربه ما از زمان است کمک می کند. به خاطر آوردن اینکه در کجای ترتیب رویدادها قرار گرفته ایم معین می کند که ما کیستیم. بنابراین نهایتا این موضوع که در اصطلاح کیهان شناختی زمان در بردارنده یک حقیقت فیزیکی بنیادی است، اهمیتی ندارد. اگر این خیالی واهی است، همانی است که ما قاطعانه به آن چسبیده ایم. احترامی که نسبت به بعد چهارم، مکمل سه بعد فضایی دیگر، قائل می شویم ارتباط تنگاتنگی با یک نیاز روانی عمیق و به غنیمت شمردن نقاط عطف گذرای پرمعنایی دارد که همه ما در آن سهیم هستیم. مثل کریسمس، چهارم جولای و روزهای تولد، جز این چگونه می توان هیجان جشن ژانویه 2000 برای تاریخی را که نه مشخص کننده مهم ترین بخش زندگی مسیح و نه براساس بسیاری از شواهد هزاره واقعی است، توصیف کرد. به هر حال ما جشن هزاره آینده را اگر هنوز به عنوان یک گونه بر این سیاره حضور داشته باشیم، برگزار خواهیم کرد و در همان حال پنجاهمین سالگرد ازدواج پدر و مادرمان و بیستمین سال تأسیس ساختمان محل آتشنشانی داوطلبانه را گرامی می داریم. انجام کارهایی از این دست تنها راه پیاده کردن نظم و سلسله مراتب در دنیایی است که در آن ارسال پیام های فوری، عکس یک ساعته، تصفیه حساب پستی و تحویل مرسولات در همان روز، ما را به از دست دادن حس زنده بودن تهدید می کند.