למה הזמן נע רק קדימה?
רוב חוקי הפיזיקה הבסיסיים אינם מבחינים באופן פשוט בין עבר לעתיד. אז מדוע כוס שנשברת אינה מתחברת מחדש, מדוע חום זורם מחם לקר ולא להפך, ולמה אנחנו זוכרים את אתמול ולא את מחר? התשובה מובילה מן האנטרופיה אל אחת החידות העמוקות של הקוסמולוגיה: מדוע היקום התחיל במצב מיוחד כל כך.
אם נצלם כוס נופלת מן השולחן ומתנפצת על הרצפה, איש לא יתקשה לקבוע באיזה כיוון מוקרן הסרט. אם נקרין אותו לאחור, נראה שברי זכוכית מזנקים מהרצפה, מתחברים בדיוק זה לזה ויוצרים כוס שלמה שקופצת אל השולחן.
המחזה נראה לנו מגוחך. אבל מדוע בעצם?
חוקי המכניקה המתארים את תנועתם של חלקיקי הזכוכית אינם מכילים הוראה פשוטה האומרת "מותר לכוס להישבר, אבל אסור לשברים להתחבר". במידה רבה, אם הופכים את כיווני התנועה במערכת מיקרוסקופית, המשוואות הבסיסיות מאפשרות לתאר גם את התהליך ההפוך. ובכל זאת, בעולם שאנו מכירים יש הבדל חד בין העבר לעתיד.
חום עובר מגוף חם לגוף קר. בושם שניתז בחדר מתפזר באוויר. קוביית קרח נמסה בכוס מים. ביצה נשברת במחבת. איננו רואים את החום נאסף מעצמו בחזרה אל הגוף החם, את מולקולות הבושם מתכנסות לבקבוק או חביתה שהופכת לביצה שלמה.
הכיוון המובהק הזה נקרא חץ הזמן.
החץ נמצא באנטרופיה
המפתח להבנת התופעה נמצא בחוק השני של התרמודינמיקה ובמושג אנטרופיה.
נהוג לעיתים לתאר אנטרופיה כ"מידת אי־הסדר", אבל זהו קיצור דרך שעלול להטעות. מבחינה סטטיסטית, אפשר לחשוב עליה כעל מדד למספר העצום של המצבים המיקרוסקופיים השונים המתאימים לאותו מצב שאנו רואים בקנה מידה גדול.
ניקח קופסה שבצדה השמאלי מרוכז גז ובצדה הימני ריק. יש מספר קטן יחסית של סידורים אפשריים של המולקולות שבהם כולן נשארות בצד אחד. לעומת זאת, קיימים לאין שיעור יותר סידורים שבהם הן מפוזרות בכל הקופסה.
לכן כאשר פותחים את המחיצה, הגז מתפשט.
שום כוח מסתורי אינו דוחף כל מולקולה לכיוון "העתיד". עקרונית, תנועות אקראיות יכולות להביא את כל המולקולות שוב למחצית אחת של הקופסה. אבל עבור מספר עצום של מולקולות, ההסתברות לכך זעירה באופן בלתי נתפס.
במובן זה, החוק השני של התרמודינמיקה אומר שמערכות מקרוסקופיות נוטות לעבור למצבים בעלי אנטרופיה גבוהה יותר. התנועה לעבר שיווי משקל היא אחת האסימטריות הבולטות ביותר בין שני כיווני הזמן בעולם שאנו חווים.
אבל כאן מתחילה הבעיה
ההסבר הסטטיסטי של בולצמן הוא רב עוצמה, אבל מסתתרת בו חידה.
נניח שאנחנו רואים עכשיו גז שאינו בשיווי משקל. מבחינה סטטיסטית, רוב המצבים המיקרוסקופיים המתאימים למצבו הנוכחי יובילו לאנטרופיה גבוהה יותר בעתיד.
אבל אם חוקי התנועה עצמם אינם מעדיפים את העתיד, אפשר להפוך את הטיעון: מדוע שלא נסיק שגם בעבר הגז היה במצב של אנטרופיה גבוהה יותר?
במילים אחרות, סטטיסטיקה לבדה אינה מסבירה מדוע האנטרופיה נמוכה יותר דווקא בכיוון שאנו קוראים לו עבר וגבוהה יותר בכיוון שאנו קוראים לו עתיד. זוהי אחת הצורות של התנגדותו המפורסמת של הפיזיקאי יוזף לושמידט לרעיונותיו של בולצמן.
וכאן חץ הזמן המקומי שלנו – הכוסות הנשברות, הקרח הנמס והגוף המזדקן – מוביל לפתע אל היקום כולו.
החידה מתחילה בראשית היקום
אחת הדרכים המרכזיות להסביר את חץ הזמן מכונה "השערת העבר" (Past Hypothesis).
הרעיון הוא שהיקום הקדום היה במצב בעל אנטרופיה נמוכה במיוחד. אם מתחילים ממצב כזה, יש מרחב עצום של מצבים בעלי אנטרופיה גבוהה יותר שאליהם היקום יכול להתפתח. כך מתקבל הכיוון שאנו מזהים כעתיד.
זה נשמע בתחילה טבעי: הרי היקום הקדום היה חם, צפוף ואחיד למדי.
אלא שכאשר מכניסים לתמונה את כוח הכבידה, "אחיד" אינו בהכרח מצב של אנטרופיה גבוהה. תחת השפעת הכבידה, חומר יכול להתקבץ לכוכבים, גלקסיות ובסופו של דבר גם לחורים שחורים, שלהם אנטרופיה עצומה. לכן מצבו החלק והאחיד יחסית של היקום הקדום נתפס בהקשר הזה כמצב מיוחד מאוד.
והשאלה פשוט עוברת שלב אחד לאחור:
מדוע היקום התחיל במצב בעל אנטרופיה כה נמוכה?
אין כיום תשובה מוסכמת.
יש הצעות הקושרות את הבעיה לאינפלציה הקוסמית, לתנאי הגבול של היקום, לכבידה ולמודלים קוסמולוגיים שבהם חץ הזמן יכול להיווצר בדרך אחרת. גם השאלה כיצד לנסח במדויק את "השערת העבר" במסגרת תורת היחסות הכללית ומכניקת הקוונטים עדיין נידונה.
לכן המשפט "האנטרופיה מסבירה מדוע הזמן נע קדימה" נכון רק בחלקו. האנטרופיה מתארת היטב את החץ התרמודינמי שאנו רואים, אבל השאלה מדוע ליקום יש בכלל תנאי התחלה המאפשרים חץ כזה נשארת אחת משאלות היסוד.
האם חוקי הטבע באמת סימטריים בזמן?
גם כאן צריך להיזהר מפישוט יתר.
מקובל לומר שרוב חוקי הפיזיקה המיקרוסקופיים הם סימטריים בזמן, אבל לא כל האינטראקציות בטבע מצייתות לסימטריה מושלמת כזאת. באינטראקציה החלשה מוכרות הפרות הקשורות לסימטריית הזמן.
אולם ההפרות האלה אינן נחשבות להסבר לכך שקפה מתקרר, כוסות נשברות ובני אדם מזדקנים. חץ הזמן התרמודינמי שאנו פוגשים בחיי היומיום הוא בעיה אחרת.
לכן גם גילוי של אסימטריה יסודית בחוקי החלקיקים אינו פותר אוטומטית את חידת החץ התרמודינמי.
מדוע אנחנו זוכרים את העבר ולא את העתיד?
חץ הזמן אינו מופיע רק במטבח ובמעבדה. הוא נמצא גם בראש שלנו.
אנחנו זוכרים מה אכלנו אתמול, אבל לא מה נאכל מחר. יש תצלומים של אירועים שהתרחשו בעבר, מאובנים של בעלי חיים שחיו בעבר ורישומים של מדידות שכבר נעשו. אין לנו תצלומים שהגיעו מן העתיד.
האם זו תכונה עצמאית של התודעה, או תוצאה של אותו חץ תרמודינמי?
אחת הגישות המרכזיות גורסת שגם יצירת זיכרון היא תהליך פיזיקלי. מוח, מחשב, מצלמה או שכבת סלע שיוצרת "רשומה" של אירוע עוברים שינוי פיזיקלי. יצירת רשומות כאלה מתרחשת בעולם שבו האנטרופיה גדלה בכיוון שאנו מכנים עתיד.
לכן ייתכן שחץ הזיכרון אינו חץ נפרד אלא תוצאה של התנאים הפיזיקליים שמייצרים גם את החץ התרמודינמי.
עם זאת, הקשר המדויק בין חץ הזמן התרמודינמי, ידע, סיבתיות וזיכרון הוא עדיין נושא לדיון בפיזיקה ובפילוסופיה של הפיזיקה.
ומה לגבי העולם הקוונטי?
גם מכניקת הקוונטים אינה מעניקה פתרון פשוט.
בחלק מן הניסוחים שלה, ההתפתחות הבסיסית של המצב הקוונטי ניתנת לתיאור באופן שאינו מספק לבדו את חץ הזמן היומיומי. פרשנויות ותיאוריות שבהן מתרחשת קריסה פיזיקלית ממשית של המצב הקוונטי עשויות להכניס אסימטריה נוספת, אך גם הן אינן מסבירות בהכרח מדוע היקום התחיל הרחק משיווי משקל.
מחקרים מודרניים מנסים לנסח את "השערת העבר" גם במונחים קוונטיים, ויש הצעות שבהן מצבו הקוונטי הראשוני של היקום עצמו ממלא תפקיד בהסבר החץ. נכון להיום אין פתרון יחיד המקובל על כולם.
האם הזמן באמת "זורם"?
כאן חשוב להפריד בין שתי שאלות שקל לערבב ביניהן.
הפיזיקה יכולה לשאול מדוע תהליכים מסוימים מתרחשים בכיוון אחד ולא בכיוון ההפוך. זו שאלת חץ הזמן.
אבל כשאנחנו אומרים שהזמן "זורם", אנחנו מתארים גם חוויה: ההווה נדמה לנו כנע מן העבר אל העתיד.
לא ברור שהפיזיקה זקוקה ל"זרימה" כישות נוספת. משוואות מתארות אירועים ואת היחסים ביניהם בזמן; הן אינן בהכרח מכילות שעון קוסמי שמזיז את היקום מרגע אחד לבא אחריו.
לכן השאלה מדוע יש חץ זמן פיזיקלי אינה זהה לשאלה הפילוסופית מדוע אנחנו חווים את הזמן כזורם.
כוס שבורה והמפץ הגדול
וזה אולי הדבר המפתיע ביותר בחץ הזמן.
אנחנו מתחילים בשאלה יומיומית לחלוטין: למה כוס שנפלה אינה חוזרת מעצמה לשולחן?
כדי לענות עליה אנחנו עוברים מן הזכוכית אל מולקולות, ממולקולות אל הסתברות ואנטרופיה, ומשם אל מצבו של היקום בראשיתו.
ייתכן אפוא שהסיבה לכך שאפשר להבדיל מיד בין סרט המוקרן קדימה לסרט המוקרן לאחור קשורה לתנאים ששררו ביקום לפני יותר מ־13 מיליארד שנה.
החוק השני של התרמודינמיקה מסביר מדוע תהליכים מקרוסקופיים נעים באופן כמעט בלתי נמנע לעבר מצבים סבירים יותר מבחינה סטטיסטית. אבל מדוע נקודת המוצא של היקום הייתה כה מיוחדת עד שהתאפשר מלכתחילה חץ זמן כה מובהק?
על השאלה הזאת הפיזיקה עדיין עובדת.
שאלות ותשובות
האם אפשר לגרום לזמן לנוע לאחור?
אין בפיזיקה הידועה דרך להפוך את חץ הזמן המקרוסקופי של היקום. אפשר ליצור מערכות קטנות ומבוקרות שבהן חלק מן הדינמיקה נראית הפיכה, אבל אין בכך כדי לגרום לעולם כולו לחזור לעבר.
האם החוק השני של התרמודינמיקה הוא חוק מוחלט?
במערכות מקרוסקופיות הוא אמין בצורה יוצאת דופן. במערכות זעירות יכולות להתרחש תנודות שבהן האנטרופיה יורדת זמנית, אך ככל שהמערכת גדולה יותר, האפשרות לירידה מקרוסקופית משמעותית נעשית זעירה באופן קיצוני.
האם הזמן עצמו נוצר במפץ הגדול?
זו שאלה אחרת מחץ הזמן. בתורת היחסות הכללית הזמן הוא חלק מן המרחב־זמן, והמודלים הקוסמולוגיים הקלאסיים מגיעים לגבול כאשר חוזרים לעבר הרחוק מאוד. תיאוריה מלאה של כבידה קוונטית עשויה לשנות את התמונה, ולכן אין כיום תשובה סופית לשאלה מה פירוש "לפני" השלבים הראשונים ביותר של היקום.
האם חץ הזמן מוכיח שהיקום התחיל באנטרופיה נמוכה?
המצב בעל האנטרופיה הנמוכה של העבר הוא מרכיב מרכזי בהסברים המקובלים לחץ התרמודינמי, אך קיימות מחלוקות לגבי ניסוחו, מקורו והאם מודלים קוסמולוגיים מסוימים יכולים להסביר את החץ בדרך אחרת.
עוד בנושא באתר הידען
- מפת השמיים הדו־ממדית הגדולה ביותר כוללת כמעט ארבעה מיליארד עצמים
- מודל: כוח משיכה נוסף בין חלקיקי חומר אפל עשוי דווקא לדכא את צמיחת המבנים ביקום
- יותר מחצי מיליון גלקסיות בתמונה: מצפה רובין פתח את שדה COSMOS למדע
- מודל חדש: חורים שחורים קדמוניים זעירים עשויים להצית חלק מסופרנובות מסוג Ia
- חוק גאומטרי חדש מסביר מדוע משטחים גדלים מתחילים לפתע להתקמט
KioskNews shows a cleaned-up reading view extracted from the publisher’s page — the original always lives on their site, not ours.