יום שבת, 25 בספטמבר 2010

איך נוצר הזמן?

את השאלה הזו שלח לי דוד כפרי:
שמי דוד כפרי ואני אחד המנויים על הבלוג שלך, קורא בעניין רב. למרות שאני חובב מדע (ומד"ב) מילדות, אני לא מדען ולא ממש מקפיד להתעדכן בחידושים האחרונים, ולפעמים קורה שמתקילים אותי בשאלה שאין לי מושג איך לענות עליה. כשהמתקיל הוא בן אחי, בן תשע וחושב שאני יודע הכל, זה מביך במיוחד. השאלה בכותרת - "איך נוצר הזמן?" - הפילה אותי לגמרי. התחלתי לגמגם משהו על חץ הזמן, תרמודינמיקה ואנטרופיה, אבל לשאלה איך הזמן נוצר - לא מצאתי תשובה, לפחות לא כזו שאדם שאינו פיזיקאי יוכל להבין...
דוד, אתה בחברה טובה. אני לא חושב שיש אדם שיוכל לתת תשובה חד-משמעית לשאלה שהציג האחיין שלך. אני נוהג להציג את השאלה הזו לתלמידי י"א-י"ב בפעילות שפיתחתי ואשר עוסקת בנושא הזמן. יחד איתה אני מציג שאלות קשורות: מתי נוצר הזמן? האם יש לזמן התחלה? האם יהיה לזמן סוף? אלו שאלות שתמיד מעוררות דיון ומגרות את המחשבה. לא אתיימר לספק כאן תשובה מוחלטת, אלא אסתפק בניסיון להעלות כמה כיוונים ואפשרויות.

ראשית יש לומר שתרבויות שונות מתייחסות לזמן באופן שונה, ובדרך שבה אנו תופסים את הזמן יש אלמנט תרבותי, אבל נדמה לי שבני כל התרבויות מסכימים על כך שזמן הוא מושג שריר וקיים. היחידים שמתנגדים לקיומו של מושג הזמן הם קומץ פילוסופים מבית מדרשו של ג'ון אליס מקטאגרט שפרסם ב-1908 חיבור בשם The unreality of time. מבלי להיכנס כאן לטיעונים של מקטאגרט, אומר שלדעתי פילוסופיה צריכה להסביר את מה שאנו חווים ולא להסביר למה מה שאנו חווים אינו קיים.

בהנחה שזמן הוא מושג מדעי שקיים ביקום שלנו, ניתן באופן תאורטי לחזור אחורה בזמן באמצעות חישובים ולבדוק אם הזמן החל בנקודה כלשהי או שהוא היה קיים תמיד. יש לנו ראיות רבות לכך שבראשיתו היה היקום קטן מאוד. זוהי תאוריית המפץ הגדול. הוקינג ופנרוז, שני פיזיקאים בריטים ידועים, הסיקו מתוך תורת היחסות שהמפץ הגדול חייב היה להתחיל בנקודה בודדת. כלומר מקורו של היקום המוכר לנו כיום מנקודה אחת. אין הכוונה לנקודה ביקום שניתן לאתר אותה, אלא לנקודה שהייתה כל היקום באותו רגע. כלומר, מקורו של כל דבר ביקום של היום באותה נקודה.

אם ראשיתו של היקום בנקודה, הרי שבה לא יכלו להתרחש מאורעות, ולכן לא ניתן להתייחס לזמן בעת שהיקום היה נקודתי. מובן שגם למרחב לא הייתה שם משמעות. לפי גישה זו המרחב והזמן נוצרו במפץ הגדול. רק חבל שהגישה הזו מתקשה להסביר איך נוצרו הזמן והמרחב, או במילים אחרות: מהם התנאים הדרושים ליצירתם? האם זו בריאה יש מאין?

למזלנו, אנחנו לא חייבים להתמודד עם השאלה הזו. תורת הקוונטים באה לעזרתנו. בתורת הקוונטים קיים עיקרון מרכזי שנקרא עקרון האי-ודאות, לפיו קיימת אי-ודאות במדידות מסוימות. שילוב מתוחכם של העיקרון הזה יחד עם תורת החורים השחורים נותן תובנות מעניינות לגבי הרציפות של הזמן והמרחב. כך למשל, מסתבר שלא ניתן להתייחס לזמנים קצרים מזמן קצרצר ומוגדר הקרוי זמן פלאנק. מדובר על פחות מ- שניות, וזה משך זמן הרבה יותר קצר מהדיוק שאנו יכולים לחלום עליו עם מכשירי המדידה של ימינו, אבל עדיין עצם המגבלה הוא עקרוני. בין היתר, המגבלה הזו קובעת שאין לנו אפשרות להתייחס למשך הזמן מרגע המפץ הגדול ועד לזמן פלאנק. כלומר, אפילו באופן תאורטי לא נוכל לדעת מה קרה שם. זו דרך אלגנטית להתחמק משאלת יצירת הזמן משום שאין משמעות פיזיקלית לאירועים שהתרחשו פחות מזמן פלאנק אחרי המפץ, ובעצם גם אין טעם להתעניין באירוע של המפץ הגדול עצמו.

אבל תורת הקוונטים פותחת גם פתח מעניין. באמצעות שילוב של תורת הקוונטים עם תורת היחסות הכללית של איינשטיין, דבר שעדיין לא השכלנו לעשות בהצלחה, ייתכן שנגיע למסקנה שהיקום לא חייב היה להיווצר בנקודה. ייתכן למשל שהוא התקיים במשך זמן אינסופי במצב זעיר, ואז, לפני כ-13.75 מיליארד שנה, החל לתפוח במהירות עצומה. ומה בקשר למשפט של הוקינג ופנרוז לגבי מקור היקום בנקודה? ובכן, המשפט נשען על תורת היחסות בלבד, והוא לא בהכרח תקף בתאוריה כללית יותר, שתורת היחסות מהווה רק קירוב שלה.

אפשרות אחרת, מעניינת במיוחד, מדברת על יקום מחזורי שעובר מחזורים של קריסה ומפץ גדול. במקרה כזה הזמן יכול להיות אינסופי לכל כיוון, או לכל הפחות הוא לא חייב להתחיל במפץ הגדול הנוכחי. כיום, ברור שהגרסה הפשוטה של המודל, שבה קיים יקום ארבע-ממדי אחד (ארבעת הממדים הם שלושת ממדי המרחב וממד הזמן) שקורס ונוצר מחדש איננה נכונה, משום שאנו רואים שהיקום שלנו מתפשט בקצב גדל והולך ולא נראה שהוא הולך לקרוס בעתיד. גרסאות מודרניות של המודל מתייחסות לקיומם של ממדים נוספים ולתהליך קריסה מורכב. זו תאוריה שניתן יהיה לבדוק אותה בעתיד הקרוב, משום שעדויות על הגלגולים הקודמים של היקום אמורים להימצא ביקום הנוכחי.

מכאן טבעי לעבור לעוד אפשרות אחת, קוסמת לא פחות. הבה נניח שאנחנו לא לבד, כלומר היקום שלנו אינו יחיד, אלא נמצא בתוך יקום גדול יותר. במקרה כזה יכול להיות שהזמן שלנו אכן החל במפץ הגדול, אבל זה קרה בגלל אירוע שהתרחש ביקום הרחב יותר, ואז יש גורם שבגללו נוצר הזמן שלנו. מהו אותו אירוע? קשה אפילו לנחש.

דוד, אני רואה שהגענו רחוק, תרתי משמע. לדעתי יש כאן מספיק חומר למחשבה לאחיין שלך, וגם בשבילי...



14 תגובות:

David Kafri אמר/ה...

תודה!
אעביר לבן אחי, נראה אילו שאלות חדשות הוא יפיל עלי...
:-)

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

אני מאחל לך שהשאלות הבאות יהיו פשוטות יותר :-)

אלעד טורצ'ין אמר/ה...

תודה,
גם אני חשבתי לא פעם איך נוצר הזמן, ואם בכלל הוא נוצר? ולמה?,
בתשובה שלך היא מאוד מעניינת, וענתה לי על השאלה, לא שאני מסכים עם כל הפרטים ברמת התאוריה, אבל בהחלט חידד לי כמה דברים.
אבל פתח עוד שאלות:
השאלה שלי, שאולי אין לה תשובה, איזו מבין התאוריות נראות לך הכי הגיוניות, מה יש סנטימטר אחרי שנגמר היקום? או באופן תאורטי, אם אני "אצעד" בקו ישר, (יותר מהר ממה שמתפרש היקום, באופן תאורטי כמובן) ואגיע לסופו, ואז ארצה לעשות עוד צעד, איפה אני יהיה? אולי אני אחזור להתחלה כמו כדור? ואם כך אז מה יש מחוץ לכדור?
אני יודע שזו שאלה מפגרת, או שאלה ללא תשובה, אבל הנושא הזה בתוך הפיזיקה מעניין אותי...

יוסי אמר/ה...

שלום אריה

האם הזמן הוא לינארי?

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

אלעד, השאלה שלך מאוד עמוקה. לגבי מבנה היקום - אין תשובה ברורה. ככל הנראה אין לו קצה והוא יותר דומה למעין מעטפת של כדור. כשם שלפני כדור הארץ הדו-ממדיים אין קצה, כך ליקום התלת-ממדי אין כנראה קצה. בכל אופן, סוגיית המבנה המדויק של היקום היא אחת השאלות המסקרנות במדע.

לשאלתך, לגבי האופציה המועדפת עלי - אני מעדיף לחכות עוד קצת. ייתכן שמדידות מדויקות יותר של קרינת הרקע הקוסמית יספקו רמזים.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

יוסי, אם אני מבין נכון, שאלתך מתייחסת לקצב התקדמות הזמן. זו שאלה מעניינת מאוד. אנו לא בטוחים שהזמן בכלל מתקדם. אולי הוא פשוט קיים לו, בדיוק כשם שהמרחב קיים.

מצד שני, לא ניתן להתעלם מכך שיש לנו תחושה חזקה שהזמן מתקדם. אנו נוטים לחשוב שהזמן מתקדם בקצב אחיד, אבל לא ניתן לאשש את זה באופן פיזיקלי. אולי הביולוגיה של המוח תוכל לעזור להבין את מקור התחושה.

תורת היחסות יוצרת מצבים מעניינים בהקשר זה. למשל, לפי פרדוקס התאומים תאום שנע בחללית במהירות גבוהה וחוזר לכדור הארץ יהיה צעיר מאחיו. הנוסע בחללית הרגיש שעברה שנה מחייו בעת שהיה בחלל, וכך גם מראה השעון שלו, בעוד שבחייו של האח שנשאר על כדור הארץ עברו חמש שנים לדוגמה. כלומר בעיני האח שנשאר כאן קצב הזמן של אחיו האט פתאום, בעוד שהאח הנוסע רואה את אחיו מזדקן מהר.

יוסי אמר/ה...

תודה רבה!

אלעד טורצ'ין אמר/ה...

תודה! =)

philoshit אמר/ה...

הפיזיקאי יקיר אהרונוב טוען שבפיזיקה כל התהליכים יהיו אותו דבר בעבר, בהווה או בעתיד, ולכן מעבר הזמן הוא רק תחושה פסיכולוגית שלנו.

אי אפשר "להוכיח" שיש זמן, אבל אפשר להראות שיש שינויים - בני אדם מזדקנים, בתים נבנים וכו'. לכן פרופ' אהרונוב טוען שיש רק שינויים בטבע, ולא מעבר של זמן. שינוי אינו בהכרח מעיד על קיומו של זמן.

ולמרות זאת, הוא ממשיך וטוען שהעתיד יכול להשפיע על ההווה (קצת סותר את מה שהוא אמר בקשר למהות הזמן...). הנה הכתבה המרתקת מתוך וויינט:

http://www.ynet.co.il/articles/0,7340,L-3786378,00.html

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

תודה - מאמר מעניין. נדמה לי שאהרונוב לא שולל את מושג הזמן אלא רק מסביר שהזמן לא בהכרח מתקדם מבחינה פיזיקלית. אני מסכים עם זה, אבל רוצה להוסיף שאנו יכולים להבחין בעזרת ניסויים בין זמן מוקדם לזמן מאוחר. זה מה שנקרא חץ הזמן. בפעילות לתלמידי תיכון שהזכרתי בפתח הפוסט אני עוסק בחץ הזמן בהרחבה, ואני מקווה לעסוק בכך יותר גם בבלוג. בעיני זה אחד הנושאים המסקרנים ביותר במדע, ובכלל...

גיל אמר/ה...

בהקשר הזה יש שני פודקאסטים שעוסקים בנושאים קשורים. אחד, בנושא מדידת זמן:

http://radio.seti.org/episodes/Time_s_Mysteries_Part_I_Marking_Time

והשני, בשאלה המעניינת האם הזמן יסתיים מתי שהוא?

http://www.scientificamerican.com/podcast/episode.cfm?id=could-time-end-10-09-21

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

תודה גיל. נהניתי להאזין.

שי אמר/ה...

יש לי כמה שאלות שעלו בי בעבר כנתקלתי בנושא:
1) אם כל היקום היה מרוכז בכדור קטן וזמן וחלל לא היו קיימים ופתאום קרה משהו והכדור הזה התפוצץ זה מרמז על כמה דברים: דבר ראשון, פתאום הכדור מתפוצץ מרמז על מעבר זמן, לפני הפיצוץ ואחרי הפיצוץ. דבר שני, כדי שיווצר פיצוץ חייב להיות שינוי כלשהו, הרי אם כלום לא היה משתנה הכל היה נשאר אותו הדבר ושום דבר לא היה מתפוצץ.

2) אם מחוץ ליקום אין זמן וחלל והיקום הולך ומתרחב, לאן הוא מתרחב אם לא לתוך חלל ריק?

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

שי, השאלות שלך עמוקות ולמדע אין תשובות חד-משמעיות עליהן.

השאלה הראשונה קשה במיוחד. כפי שאמרת, קיום המפץ הגדול מצביע על התרחשות של תהליך, ולפי הבנתנו תהליכים קשורים למעבר זמן.
ככל שידוע לי אין הסבר מניח את הדעת לתהליך שגרם למפץ הגדול להתרחש באופן שבו מצב ללא זמן מוגדר הופך למצב שבו יש זמן.

אני רוצה רק להעיר שהמפץ הגדול הוא לא פיצוץ במובן המוכר לנו, אלא רגע תחילת התרחבותו של היקום מנקודה בעלת צפיפות אינסופית ליקום בעל צפיפות סופית.

לגבי השאלה השנייה, אני רוצה רק להעיר שייתכן מצב שבו היקום הוא סופי, אבל לא מוכל בתוך משהו אחר. לנו קשה לדמיין את זה בגלל שהמרחב הוא תלת-ממדי, אבל אם נעשה אנלוגיה לעצם דו-ממדי יהיה קל יותר להבין. למשל, נניח שכל היקום הוא פני שטח של בלון ואין שום דבר בעולם מלבד הבלון הזה. הבלון יכול לגדול או לקטון ולהישאר סופי ואין צורך להתייחס לקיומו או לאי-קיומו של מרחב או חומר מחוץ לבלון. כלומר הבלון הזה לא חייב להתרחב או להתכווץ בתוך מרחב אחר.