זו עשויה להיות התעלומה הקשה ביותר עבור המדע. אבל מדענים הציעו השערות מפתות רבות כדי להסביר את השאלה הזאת.
הניסיון היומיומי אומר לנו שהעבר שונה מאוד מהעתיד. אנחנו זוכרים את העבר, אבל אנחנו לא זוכרים את העתיד. אנחנו לא יכולים לשנות את העבר. לאחר ששפכנו קפה על המחשב הנייד שלנו, היינו מייחלים נואשות שנוכל לחזור רגע אחורה ולקחת את הכוס בזהירות רבה יותר, אבל אבוי. אבל אנחנו בהחלט יכולים להשפיע על העתיד. יתרה מכך, כל פעולה שאנו נוקטים היא ניסיון לשנות את העתיד. כשאנחנו מרגישים צמא, אנחנו לוקחים כוס מהמדף, מוזגים מים ושותים. ברגע שאנו חשים צמא, עדיין אין כוס על השולחן ואין מים בכוס. כל זה עניין של עתיד, אם כי העתיד המיידי. להווה אין התמשכות כלל, הוא רק גבול שמעבר לו ממתין העתיד שהופך לעבר…
כיווניות זו של הזמן מבדילה אותו בצורה חדה מהחלל. אין כיוון מיוחד ומיועד בחלל. ברגע שמסתובבים 180 מעלות, "קדימה" ו"אחורה" מחליפים מקום. בחלל אנחנו יכולים לא רק לנוע לכל כיוון, אלא גם לעמוד במקום. אבל אנחנו לא יכולים לעמוד בזמן. יום הופך לערב, אנשים מזדקנים והשעון מתקתק.
אבל למה הזמן זורם בכלל ולמה הוא זורם בכיוון אחד? איזה מנגנון מניע את נהר הזמן? ניתן לנסח את השאלות הללו בצורה שונה: מה גורם לשעון לנוע ולמה הוא נע רק בכיוון אחד?
במקרה זה, שעון פירושו כל מכשיר המראה את חלוף הזמן. הדבר הראשון שניתן לחשוב עליו הוא שעון מכני. אבל בימי קדם השתמשו בנרות בוערים לשמירה על הזמן, למשל, וכיום השעונים המדויקים ביותר הם אטומיים. באופן כללי, כל מה שמשתנה עם הזמן יכול להיחשב כשעון – למרות שרובם לא מדויקים וללא חוגה. ילד שגדל והתוכן של הזיכרון הם, במובן הזה, גם שעונים. עולם ללא שעונים פירושו באופן כללי עולם ללא זמן. הרי אין טעם לדבר על משהו שלא בא לידי ביטוי בשום צורה – לפחות עבור פיזיקאי ופיזיקאים ופילוסופים הציעו כמה תשובות מפתות לשאלת חץ הזמן. אבל כל אחד מהם מעלה שאלות קשות חדשות.
העולם הוא כמו סרט נע
זה יהיה נחמד למצוא חוק פיזיקלי שמסביר מדוע הזמן זורם בכיוון אחד ומדוע השעונים תמיד נעים קדימה. עם זאת, חוקים פיזיקליים בסיסיים אינם מבחינים בין העבר לעתיד. היוצא מן הכלל היחיד הוא טרנספורמציות אקזוטיות של חלקיקים אלמנטריים. בואו ניקח כדור כדורגל שעף לשער. על ידי ידיעת המיקום והמהירות של הכדור כרגע, נוכל לחשב לאן כיוון השוער צריך לנתר. אבל באותו אופן נוכל לחשב היכן התוקף פגע בכדור. חיזוי העבר אינו שונה מחיזוי העתיד.
את הרעיון שהתוקף "קודם כל" פגע בכדור, ו"אחר כך" הכדור הגיע לשער, אנחנו לוקחים מניסיון, לא ממשוואות. לחוקי המכניקה לא אכפת. הם מסדרים את עמדות הכדור בשרשרת בזה אחר זה, אבל אין חץ בשרשרת הזו. אנחנו מחליטים בעצמנו איזה קצה של השרשרת נחשב לעבר ומהו העתיד. בואו נסביר עם דוגמה.
בלתי הפיך אקראי
תארו לעצמך שאתה צופה בסרטון. הכדור שנזרק עף למעלה, המכונית נעה קדימה והאיש מכניס את הספר לארון. ואז אומרים לכם: הסרט הזה צולם בסדר הפוך. למעשה, כאן הוא מצולם כשהכדור נופל למטה, המכונית נסוגה לאחור וחובב הספרים לוקח ספר מהמדף.
יש לכם דרך לתפוס את האדם שמספר לכם את זה בשקר? לא אם הסרטון מציג רק את האירועים האלה. עם זאת, רואים שהחלב שנשפך נאסף בחזרה לתוך הספל ושלולית המים בתחתית הכוס הופכת לקוביות קרח. מיד תבינו שהסרטון נע לאחור. הרי אתם יודעים מניסיון שתהליכים כאלה קורים רק בכיוון אחד.
אבל למה? אפשר ללמוד מתנועה של מולקולות חלב או מים. מולקולות חלב נמצאות כל הזמן בהתנגשויות זו בזו, עם מולקולות אוויר ומפת השולחן. התנגשויות אלו קובעות לאן יזרום החלב. מדוע הם לא דוחפים את החלב בחזרה לתוך הספל? רק משום שחוקי המכניקה אינם מזהים את חץ הזמן?
ואכן, התנגשויות אקראיות עם המולקולות שמסביב יכולות באופן תיאורטי להחזיר את החלב למקומו. עם זאת, אירוע כזה הוא מדהים לחלוטין. החוכמה היא שיש הרבה מולקולות והמיקום שלהן "בתוך הכוס" הוא רק אחד מני אפשרויות רבות. לא יעלה על הדעת שכתוצאה מהתנגשויות אקראיות, כל מולקולת חלב תגיע בדיוק למצב הזה. דוגמה ברורה לכמה מדהים צירוף מקרים כזה נתן הפיזיקאי בריאן גרין.
בואו נדמיין מהדורה של "מלחמה ושלום" עם 1,386 עמודים. נחלק את הספר לגליונות ונזרוק אותם גבוה יותר. מה ההסתברות שהעמודים יופיעו בסדר מספרי בדיוק? התשובה מדהימה: בערך 1 מתוך 101,878. כדי לכתוב הסתברות זו כשבר עשרוני, תצטרכו לרשום 1,878 אפסים אחרי הנקודה העשרונית.
אם היינו יכולים לקחת כמה עותקים של הרומן כמספר האטומים ביקום הגלוי ולזרוק אותם בכל שנייה מאז המפץ הגדול, יידרשו יותר מאלף יקומים עד שאפילו אחד מהם יפיל סוף סוף את הדפים בסדר הנכון!
זה חשבון בסיסי. דפים יכולים ליפול בכל דרך אפשרית. אבל יש רק דרך אחת למקם אותם נכון ובערך 101,878 דרכים – לערבב ביניהם. אז אפשר להמר בבטחה שהדפים יתערבבו. וזה פחות מאלף וחצי עמודים, אבל יש יותר מולקולות בכוס חלב מאשר כוסות מים באוקיינוסיםבעולם! ולכל מולקולה יש כל כך הרבה מיקומים אפשריים על מרחב המפה… כמה זמן לוקח להם להתאסף בחזרה לתוך הספל? אין טעם אפילו לנסות לחשב. למרות שהאירוע אפשרי תיאורטית, הוא לעולם לא יקרה.
כדי לתאר את הבלתי הפיך הזה, הפיזיקאי הגדול מהמאה ה-19 לודוויג בולצמן הציג כמות פיזיקלית מיוחדת: אנטרופיה. האנטרופיה עולה ככל שהחלב נשפך מהכוס. הוא גדל גם כשקוביות קרח יפות ומסודרות הופכות לשלולית אמורפית, וגם כשאנחנו פותחים בקבוק סודה ופחמן דו חמצני ניתז אל חלל החדר, מתערבב עם האוויר.
לכל התהליכים הללו יש מכנה משותף. בתחילה רוכזו מולקולות החומר בנפח קטן: חלב בכוס, פחמן דו חמצני בבקבוק, מים בקוביות קרח. ואז הם "השתחררו" ומילאו נפח גדול בהרבה. לנפח גדול יותר יש יותר מקומות שבהם מולקולה יכולה להגיע לתנועה האקראית שלה. לכן, בכל המקרים הללו המערכת עוברת ממצב פחות סביר למצב סביר יותר. לפיכך, דפי ספר, בתחילה במצב הלא סביר של "ממוינים לפי מספר", לאחר שהושלכו, נכנסים למצב הרבה יותר סביר של דפים "מעורבבים".
יש חוק פיזיקלי: האנטרופיה של המערכת, שנותרה כמות שהיא, גדלה עם הזמן (או נשארת ללא שינוי אם היא כבר הגיעה למקסימום). ניתן להפחית אנטרופיה רק על ידי השפעה חיצונית. למשל, שפיכת מים למגשי קוביות קרח והכנסתם למקפיא, או מיון ידני של הדפים לפי מספר.
חוק צמיחת האנטרופיה פועל במערכות סגורות שנותרו במקומן. כדי להכיל או להפוך את הצמיחה, יש צורך בחילופי חומר או אנרגיה עם הסביבה החיצונית. גוף האדם שומר על המבנה המורכב והמסודר שלו על ידי צריכת קילוגרמים של מזון ומים ואלפים רבים של ליטרים של אוויר ביום.
קביעה כלל עולמית?
היקום הוא מערכת סגורה. הוא לא לוקח ולא נותן שום דבר כלפי חוץ, מכיוון שאין "בחוץ". בהתבסס על כך, בולצמן האמין שהאנטרופיה של היקום גדלה ללא הרף. אפשר להפחית את האנטרופיה בחלקים מסוימים שלו, למשל, על ידי הקפאת מים במגשי קרח, אבל רק על חשבון הגברת האנטרופיה במקומות אחרים.
בסופו של דבר כל החומר והאנרגיה יתערבבו באופן שווה. כוכבים וכוכבי לכת יקרסו ויהפכו לגז חלש המפוזר בחלל. העולם יצלול למצב של "מוות מחום".
לפי גרסה אחת, התחזית הפסימית הזו היא שדחפה את בולצמן להתאבד. נראה שמצאנו תהליך פיזי המבדיל את העבר מהעתיד. האנטרופיה של היקום תמיד תהיה גדולה ממה שהייתה, ולא להיפך. בולצמן האמין שזרימת הזמן הוא רק ביטוי חיצוני של צמיחת האנטרופיה של היקום. מדענים מודרניים ספקנים לגבי הרעיון הזה מסיבות רבות. קודם כל, פיזיקאים רבים מכחישים שחוק הגדלת האנטרופיה חל על היקום בכללותו. אם נעמיק בפרטים המתמטיים העדינים (לא נעשה זאת), מסתבר שכדי שהאנטרופיה תגדל, אין די בסגירות המערכת לבדה גם בתנאים אחרים. תנאים אלה מתארים היטב את המסת קרח או פיזור גז. אבל לא את היקום בכללותו. ואם האנטרופיה של היקום לא צריכה לגדול, אין סיבה לצמצם את חלוף הזמן אליו.
יש קושי נוסף. אנו לומדים על חלוף הזמן הודות לשעון (זכרו שבשעון הכוונה לכל חפץ שמשתנה עם הזמן). אבל איך הגדלת האנטרופיה גורמת לשעון לתקתק? בואו ניקח את השעון הפשוט ביותר: מטוטלת. מטוטלת באורך 25 ס"מ עושה תנופה שלמה בשנייה אחת. עם זאת, תנועת המטוטלת אינה נגרמת על ידי עלייה באנטרופיה, אלא פשוט על ידי העובדה שהיא הוצאה פעם אחת מאיזון. כמובן שיש גם תהליכים שמגבירים את האנטרופיה של המטוטלת – החיכוך במתלה, התנגדות האוויר. במילים אחת, כל אלה הן הסיבות לכך שהרעידות גוועות בהדרגה. אבל הם פשוט מונעים מהמטוטלת להיות שעון טוב! ללא חיכוך או התנגדות, השעון יספור שניות לנצח. כךשעלייה באנטרופיה עונה על השאלה מדוע כל שעון ייעצר במוקדם או במאוחר, אך לא על השאלה מדוע הוא פועל.
זמן ואור
במאה ה-20, הרעיון של קשר בין חלוף הזמן לסיבתיות קיבל אישור עקיף בתורת היחסות המיוחדת (Special Theory of Relativity). תיאורטיקנים גילו שסדר כרונולוגי תלוי ב"נקודת מבט" (ליתר דיוק, כפי שאומרים פיזיקאים, במסגרת ההתייחסות). לפי שעונו של משקיף ארצי, התפוח על פני כדור הארץ נפל שבוע מוקדם יותר מהשביט על פרוקסימה קנטאורי, אבל עבור חללית שטסה למקום כלשהו בחלל זה יכול היה להיות הפוך.
אבל סידורים כאלה אינם יכולים לחול על כל האירועים. אם האור מצליח להגיע מנקודה א' לנקודה ב' ותופס את שני האירועים, אז אי אפשר לסדר אותם מחדש בזמן. התוצאה המוזרה הזו של נוסחאות תורה היחסות מקבלת את המשמעות העמוקה ביותר אם נזכור עובדה אחת: לא חומר, לא אנרגיה ולא מידע יכולים לנוע מהר יותר מהאור. שום אות לא יכסה את ארבע שנות האור שבין כדור הארץ לפרוקסימה קנטאורי תוך שבוע, כך שנפילת התפוח ונפילת השביט לא יכלו להשפיע זה על זה.
כלומר, שינוי מסגרת ההתייחסות מסדר מחדש בזמן רק אירועים שמובטח שלא יהיו קשורים זה לזה. ברגע שמתאפשרים יחסי סיבה ותוצאה, שינוי "נקודת המבט" כבר לא משנה את מקומות העבר והעתיד!
בעולם החלקיקים
העלייה באנטרופיה והתפשטות היקום הן, אמנם בקנה מידה גדול, אך הן תופעות פרטיות. הם נגזרים מחוקים פיזיקליים בסיסיים. הראשון מגיע מהמכניקה הקלאסית, השולטת בתנועת מולקולות, כמו גם כדורים של כדורגל. השני הוא מתורת היחסות הכללית, אפילו יותר שלמה ומעמיקה מהמכניקה הקלאסית. שתי התיאוריות אדישות לכיוון הזמן.
ובכל זאת ישנם חוקי יסוד המבדילים בין העבר לעתיד. אלה החוקים השולטים על חלקיקים אלמנטריים. אבל לא כל החלקיקים, אלא רק חלק, אקזוטיים מאוד. רוב החלקיקים היסודיים חיים רק שבריר שנייה ואז מתפרקים. חלק מהדעיכות הללו רגישות לכיוון הזמן. בפשטות, שרטוט של ריקבון של חלקיק כזה אפשר לקבוע אם הוא נע בכיוון קדימה או בכיוון ההפוך.
רגישות לכיוון הזמן נקבעה כרגע בניסוי עבור 3 סוגים של חלקיקים: K-B- ו-D-mesons. הבעיה היא שכולם האלה הם חלקיקים אקזוטיים מאוד. הם מופיעים לשבריר שנייה בתהליכים שיזמו במיוחד פיזיקאים, בעוד שחיי היומיום שלנו אינם תלויים בשום צורה ב-K-, B- או D-mesons. הם לא נמצאים בשעונים, במוח שלנו או בחלב שנשפך.
האם גם הפרוטונים, האלקטרונים והנייטרונים המרכיבים את האטומים יכולים להבחין בין העבר לעתיד? עד כה אין אינדיקציה לכך, לא תיאורטית ולא ניסיונית. אם יופיעו, אין ספק שזה יהיה תגלית אדירה.
שעון היקום
ישנו תהליך נוסף שלעולם אינו חוזר אחורה – התפשטות היקום. אולי זה סוד חלוף הזמן? אחרי הכל, כולנו חיים ביקום הזה. הרעיון היפה הזה הוצע על ידי האסטרופיזיקאי המצטיין ארתור אדינגטון. עם זאת, התפשטות היקום מסובכת יותר ממה שהיא נראית. שהרי, אני לא משמין בגלל ההתפשטות הזו: היא אינה גורמת גם לגוף שלנו להתרחב. כך, גם שטח הדירה אינו משתנה. לא כדור הארץ, לא מערכת השמש ולא הגלקסיה מתרחבים, ובכלל , מערכות שחלקיהן מוחזקים יחד על ידי כוח כלשהו אינן מתרחבות. האטומים בשעון מוחזקים יחד על ידי קשרים כימיים והכוכבים בשביל החלב מוחזקים יחד על ידי משיכה כבידה. מה שמשתנה הוא המרחק בין הגלקסיות. הגלקסיות רחוקות מדי מכדי שכוח הכבידה יקשור אותן בחוזקה ולכן התפשטות היקום מרחיקה אותן זו מזו.
כך, אותה שאלה חלה על התפשטות היקום באשר לעלייה באנטרופיה: איך היא גורמת לשעון לתקתק? איך שעון שאינו מתרחב על כוכב לכת שאינו מתרחב במערכת שמש וגלקסיה שאינם מתרחבים יודע שהגלקסיה הזו נסחפת לאנשהו על ידי התפשטות היקום? המדע אינו מכיר תהליך שיכול להעביר את המידע הזה לשעון ונותרנו עם תעלומה ללא פתרון.
סיבות ותוצאות
עלייה באנטרופיה, התרחבות היקום, חריגות במרחב – כל אלה הם ביטויים חיצוניים של חלוף הזמן. הניסיונות לתפוס את טבעו של הזמן דרכם מזכירים את ניסיונותיהם של אלכימאים למצוא את מהות המים. מים, כתבו, הם נוזל שקוף שממיס חומרים רבים. כתוצאה מכך, חומצה גופרתית התקבלה על ידי אלכימאים כסוג של מים, אך קרח וקיטור לא. מים הם חומר שהמולקולה שלו מורכבת משני אטומים של מימן ואטום חמצן אחד. זו ההגדרה הנכונה. הוא ניתן דרך מושגים כלליים יותר מאשר "מים": מושגי אטומים, מולקולות ויסודות כימיים.
אילו מושגים כלליים ויסודיים יותר מ"זמן"? יש לפחות מועמד אחד סביר לתפקיד זה: מושג הסיבה. לפי לייבניץ הזמן זורם מסיבה לתוצאה, העבר הוא הסיבה לעתיד. הקושי הוא שהמושגים של סיבה ותוצאה הם מאוד מופשטים. כיצד לבטא סיבתיות בשפת הנוסחאות? איך זה יכול מתקשר לכמויות שניתן למדוד בניסוי? אחרי הכל, כל תיאוריה פיזיקלית חייבת להיות מאומתת בניסוי. אף אחד עדיין לא בנה תיאוריה "סיבתית" של זמן. יתר על כן, כמה פילוסופים טוענים שזה בלתי אפשרי. עצם המושגים של סיבה ותוצאה, אומרים הוגים אלה, נולדים בראשנו מרעיונות על העבר והעתיד.
לא ידוע מי צודק במחלוקת. אולי אין לנו עדיין את המושגים המתאימים לפתור את חידת הזמן, בדיוק כפי שלאלכימאים לא היה מושג של נוסחאות כימיות. בעקבות עקבות חץ הזמן, נתקלה האנושות בצפרדע המכוערת של חוסר האונים שלה מול המסתורין. מי הנסיך שנשיקתו תהפוך אותה לנסיכת מסתורין יפהפייה? מי יעשה את מה שלייבניץ, בולצמן, איינשטיין ואדינגטון לא הצליחו לעשות? אם יתמזל מזלנו, נגלה זאת במאה העשרים ואחת.
אם משתמשים בתוכן כלשהו מתוך HistoryIsTold, באופן חלקי או מלא, יש לספק קישור לתוכן המקור.
