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...

התגליות הפיזיקליות של המאה ה-21 - המשך

בפוסט הקודם הצגתי תחזית אישית לגבי התגליות הפיזיקליות הגדולות של המאה ה-21. כעת אני מביא את המשך הפוסט ובו יש ייצוג בולט יותר לאסטרונומיה, לקוסמולוגיה ולאסטרופיזיקה, עם נגיעה קלה גם במדעי החיים.

6. ייצור או גילוי חורים שחורים זעירים ותחילת השימוש בהם כמקורות לייצור אנרגיה. אני חייב להודות שלא הייתי שם את כל כספי על ההימור הזה, כי כרגע אין שום ראיות או רמזים לכך שחורים שחורים כאלו קיימים. מצד שני, תגלית כזו תהיה עצומה בחשיבותה, הן בצד התאורטי והן בצד היישומי. הכוונה לחורים שחורים בגודל תת-פרוטוני שאולי נוצרים בעת פגיעת קרניים קוסמיות באטמוספירה ואולי נוכל אפילו לייצר אותם במאיצי חלקיקים. צריך להדגיש שבשלב זה אין ודאות כי חורים שחורים כה קטנים קיימים. ברור לנו שיש חורים שחורים כוכביים שנוצרו בעת קריסה כבידתית של כוכבים מסיביים מאוד שסיימו את חייהם, אבל לא ידוע מהי המסה המינימלית של חורים שחורים.

לצורך הדיון נניח כי חורים שחורים זעירים, בגודל תת-פרוטוני, קיימים, ונניח שהאנרגיה של הקרינה הקוסמית ואולי אפילו של מאיץ החלקיקים LHC (האנרגיה שלו קטנה מזו של החלקיקים האנרגטיים ביותר בקרינה הקוסמית) או של מאיצים עתידיים תספיק ליצירת חורים שחורים כאלו. במקרה כזה, ובהנחה שהם לא יציבים ומתפרקים במהירות לחלקיקים אחרים, הגילוי של החורים השחורים לא אמור להיות מסובך. ברמה התאורטית הגילוי שלהם יצביע על קיומם של ממדים נוספים מלבד ממד הזמן ושלושת ממדי המרחב המוכרים, וכמו כן הוא יספק אישוש ראשוני לתחזיות מסוימות של תורת המיתרים.

ברמה המעשית נוכל להשתמש בהם לייצור אנרגיה בצורה דומה למה שמתרחש בחורים שחורים גדולים - חומר זורם לכיוון החור השחור, מסתחרר סביבו בדיסקת ספיחה וחלקו לא נכנס פנימה אלא בורח בצורת סילונים מהירים מאוד. כלומר החור השחור מאיץ את החומר שזורם לעברו, וחלקו בורח ולא נבלע בתוכו. הרעיון הוא להשתמש בסילונים הללו על מנת להניע טורבינות זעירות. אני חייב להודות שכרגע זה נשמע קצת כמו מדע בדיוני, אבל מי יודע? טוב, בואו קודם נגלה אותם ונוודא שהם לא יציבים, כלומר לא מסוכנים.

7. הבנת מנגנון היצירה של הגלקסיות ושל החורים השחורים הענקיים שנמצאים במרכזן. הגלקסיות הראשונות נוצרו בשלב מוקדם יחסית של היקום, מאות מיליוני שנה בלבד לאחר המפץ הגדול. מנגנון היצירה שלהן לא ידוע. אנו יודעים דווקא פרטים על היקום הקדום יותר ויכולים אפילו לדעת את פיזור החומר ביקום בן מאות אלפי שנה בעזרת מדידת קרינת הרקע הקוסמית, אבל טרם הצלחנו לצפות במקורות אור מ"התקופה האפלה" ("dark ages") שבין רגע יצירת האטומים (כ-400,000 שנה אחרי המפץ הגדול) ובין יצירת הגלקסיות הראשונות.

הבנת תהליך היווצרות הגלקסיות יחייב פיתוח תאוריה מספקת ומציאת דרכים לבדוק אותה בתצפית לעבר אותה תקופה אפלה, כלומר לעבר עצמים רחוקים מאוד. בהקשר זה מעניין להבין איך ומתי התפתח החור השחור הענקי שנמצא כנראה במרכזה של כל גלקסיה. זה קרה די בהתחלה, זמן קצר יחסית אחרי שהגלקסיה נוצרה או אפילו במקביל ליצירתה, אבל איך הוא בדיוק נוצר? (האם זו קריסה כבידתית?) והאם יש לו קשר ליצירת הגלקסיה שבה הוא יושב ולהתפתחות שלה? אלו שאלות מסקרנות במיוחד.

8. הבנת הרכב היקום. המדע נמצא במצב מוזר: אנחנו יודעים שחומר אפל ואנרגיה אפלה ממלאים את היקום, בכמות הרבה יותר גדולה מהחומר הרגיל המוכר לנו מתצפיות ישירות בכוכבים ובגלקסיות, אבל אין לנו מושג מהו אותו חומר אפל ומהי אותה אנרגיה אפלה. הראיות לקיומם מוצקות למדי. הגלקסיות מסתובבות מהר מכפי שהיינו מצפים אם היה בהם רק החומר הרגיל שאנו צופים בו, ומכאן ניתן להסיק לגבי קיומו של חומר אפל. מהו אותו חומר אפל? אנו לא יודעים בוודאות, אבל יש מועמדים לא רעים, ויכול להיות שבניסויי מאיצי חלקיקים נצליח לייצר חומר אפל באופן מבוקר ולחקור את תכונותיו, כך שיש סיכוי...

כעת לאנרגיה אפלה: תצפיות על גלקסיות רחוקות הראו שהיקום מאיץ את התפשטותו, ולכן לא יכול להיות שכבידה היא הכוח היחיד שקובע את המבנה של היקום. הרי הכבידה היא כוח משיכה והיא נוטה להאט את קצב ההתפשטות. המסקנה היא שיש ביקום מין אנטי-גרוויטציה, והיא זו שמכונה אנרגיה אפלה. מהי אותה אנרגיה אפלה? קצה החוט היחיד שיש לנו הוא קבוע שאיינשטיין הכניס למשוואות תורת היחסות הכללית - הקבוע הקוסמולוגי. אבל גם אם יתברר שהאנרגיה האפלה מתאימה בדיוק להשפעה של אותו קבוע, ואיינשטיין צדק למרות שחשב שטעה, עדיין יש צורך להבין מהי אותה אנרגיה ומנין נובעות תכונותיה המוזרות, כמו למשל הצפיפות הבלתי משתנה שלה ביקום מתרחב המחייבת עלייה בכמות הכוללת של האנרגיה האפלה לאורך זמן.

9. פיתוח תורה מאוחדת של כבידה ותורת הקוונטים. תורת הקוונטים נבדקה באלפי ניסויים ונמצאה מדויקת להפליא - נראה שהיא מסבירה בצורה מצוינת תופעות מיקרוסקופיות. מצד שני, תורת היחסות של איינשטיין מסבירה בצורה מצוינת תופעות הקשורות לכוח הכבידה שבדרך כלל באות לידי ביטוי במערכות גדולות. קשה יותר לבדוק את תורת היחסות הכללית, אך בכל זאת היא נבדקה במספר ניסויים בלתי תלויים ונמצאה מדויקת גם כן. הבעיה היא שיש סתירה בין תורת היחסות לתורת הקוונטים שמתבטאת בפרדוקס EPR: תורת הקוונטים מאפשרת תופעות שמתרחשות באופן מיידי במרחקים גדולים, ואילו תורת היחסות לא מאפשרת תופעות שכאלו.

תורת כבידה קוונטית אמורה לתת ניסוח שמתאים ליחסות ולקוונטים ובכך לאפשר את איחודן. באותה הזדמנות היא צריכה להסביר מדוע כוח הכבידה כה חלש יחסית לכוחות יסוד אחרים כמו הכוח האלקטרומגנטי. יש כמה מועמדים לתורה מאוחדת, למשל תורת המיתרים, אבל צריך גם לבדוק אותן בניסוי, וזה טרם נעשה. בכל הקשור לתורת המיתרים - עדיין לא נמצא לה בדל של ראיה ניסיונית משום שרוב התופעות שהיא חוזה נצפות באנרגיות גבוהות בלבד, אבל אני מאמין שניתן לחשוב על ניסויים מתוחכמים שיאפשרו בדיקה שלה גם באנרגיות נמוכות, ובמהלך המאה הנוכחית כבר נדע אם היא "הגביע הקדוש" של הפיזיקה או שאלפי מדענים בזבזו עליה את זמנם.

10. פיתוח שיטות מתמטיות ופיזיקליות לניתוח מערכות מורכבות, כמו למשל מערכות ביולוגיות. הפיזיקה נוטה פעמים רבות לתת הסברים פשוטים ולהשתמש במשוואות בסיסיות פשוטות, וזה מתכון מוצלח מאוד לתיאור חוקי היסוד של הטבע. אבל מערכות רבות אינן פשוטות, ולצורך הבנתן יש צורך בכלים אחרים, שרובם עדיין לא קיימים. מערכת מורכבת מכילה מספר גדול יחסית של גורמים שמשפיעים זה על זה, וכתוצאה מכך ההתפתחות שלה בזמן קשה לחיזוי.

אם ההתפתחות לאורך זמן תלויה מאוד בתנאי ההתחלה אז המערכת נקראת כאוטית. מערכת מזג האוויר היא דוגמה למערכת כאוטית. למעשה, הכאוטיות שלה מסבירה למה קשה מאוד לתת תחזית מדויקת ליותר מארבעה ימים קדימה. עם זאת, מערכות מורכבות אינן בהכרח כאוטיות, וכאלו הן בדרך כלל המערכות הביולוגיות. מאפיין מובהק של המערכות הביולוגיות הוא קיום מערכת סבוכה של משובים המספקים בקרה על התהליכים השונים. לדעתי, פיתוח כלים להתמודדות עם מערכות מורכבות, משימה מסובכת לכל הדעות, יאפשר פריצת דרך בביולוגיה בכלל ובהבנת האבולוציה בפרט.

לסיכום, במבט כולל על מה שכתבתי ברשומה הזאת ובקודמת, אני מודה שכל זה קצת יומרני והמטרות גדולות. רשמתי עשר מטרות שנראות לי גדולות וחשובות מהיבטים שונים. בדרך לשם יהיו המון גילויים ופיתוחים קטנים ובינוניים, כמו למשל הבנה טובה יותר של תכונות חומרים, גילוי חלקיקים חדשים (בוזון היגס, חלקיקים סופר-סימטריים), גילוי גלי כבידה, פיתוחים בתחום הננו-טכנולוגיה ועוד הרבה. שווה לעקוב.