* פילוסופיה / פיזיקה - אסימטריה פורקת עול - על ציר הזמן - חלק 3.
מדוע אין לזמן כיוון
לא התקדמנו הרבה בניסיון לפתור את הסתירה בין מעבר הזמן, עליו מדווחים לנו חושינו, לבין חוקי הלוגיקה והפיסיקה, המכחישים מעבר זה. במצבה הנוכחי של הפיסיקה, לא נראה באופק פתרון לבעיה. ובאמת, אילו הייתה זו הבעיה היחידה הקשורה בזמן, היינו מניחים את הבעיה לפילוסופים ועוברים לעסוק בנושאים יותר מועילים. אבל מתברר שיש עוד בעיה הקשורה בזמן, והיא דווקא שייכת לתחום המחקר הניסיוני. זו הבעיה הידועה בשם האסימטרייה של הזמן. אם נלמד אותה, היא בוודאי תשפוך אור על הבעיה הראשונה.
לפני שנבין למה האסימטרייה היא בעיה, הבה נראה מה כל כך טוב בסימטרייה. חוקי הטבע אינם מבדילים בין ימין, שמאל, למעלה, למטה וכדומה. לו היו עושים כן זה היה עצוב, כי אז לא היינו יכולים לנסח חוקי טבע כלליים. במילים אחרות, האדישות של חוקי הטבע היסודיים לכיווני המרחב היא - היא שעושה אותם לחוקי - יסוד.
הנה דוגמא. יושב אדם אל שולחנו ומשחק במצפן, ואחרי מספר ניסיונות הוא רושם חוק טבע חשוב: "מחט המצפן מצביעה תמיד שמאלה. " בא חברו לבקרו והוא מראה לו את החוק שניסח, אבל החבר רואה שהמצפן מצביע דווקא ימינה, שהרי הוא מביט בו מעברו השני של השולחן! יש כאן, אם כן, שני חוקי טבע לגבי אותה תופעה, התלויים במיקומו של הצופה, וזו לא תוצאה מרשימה במיוחד. נעריך יותר את הישגם של שני הפיסיקאים הללו כאשר, אחרי הרבה חקירות ודרישות, יגיעו לניסוח חוק כללי יותר: "מחט המצפן מצביעה תמיד צפונה. " החוק הזה הוא יותר אינווריאנטי (בלתי משתנה) מקודמו, בכך שאינו תלוי במיקומו של הצופה ביחס לשולחן. אבל לא לעולם חוסן: כשיצאו שני המדענים הדגולים, מצוידים במצפנים, לסיבוב הרצאות בעולם להרצות על חידושם, ויגיעו במקרה לאולם הרצאות המצוי באי אלף רינגנס (Ellef Ringness) צפונית לקנדה, יגלו שההדגמה נכשלת ושני המצפנים מצביעים - שוד ושבר - זה לכיוונו של זה! נחוץ, אם כן, חוק אינווריאנטי אף יותר, שלא יאבד את תוקפו אפילו בצפון או בדרום המגנטיים. על כן יחפרו השניים לעומק כדור הארץ ויגלו שהוא בעצם מגנט ענק המשפיע על כל המצפנים. החוק הבא שלהם יאמר, אם כן, כך: "מחט המצפן מצביעה לכיוון הקוטב הדרומי של השדה המגנטי בו היא נמצאת. " וזה ללא ספק חוק עוד יותר כללי, שכוחו יפה גם על מאדים ואפילו על נוגה, למקרה שיתחשק לשני החברים לנסוע ולהרצות גם שם על התנהגות המצפנים.
וכמו שאין "צפון" או "דרום" אוניברסאליים, אין גם "למעלה" ו"למטה" אוניברסאליים. אמנם, כל הדברים שסביבנו נופלים למטה ולא למעלה, אבל מעברו השני של כדור הארץ, באוסטרליה, שם גרים אנשים טובים שראשם למטה ורגליהם למעלה, נופלים הדברים, מבחינתנו, למעלה. לכן גם כאן נחוץ חוק טבע אינווריאנטי: במקום "דברים נופלים למטה" נאמר "דברים נופלים לכיוון העצם בעל המסה המפעיל עליהם כוח משיכה. " הנה כך, במקום מושגים סובייקטיביים, תלויים בצופה, נתנה לנו הפיסיקה מערכת חוקים אובייקטיבית, תקפה לכל צופה, ומשום כך סימטרית לחלוטין.
אם חוקי הטבע הם סימטריים במרחב, הם צריכים להיות סימטריים גם בזמן, כלומר, לא להבחין גם בין "עבר" ו"עתיד. " ואמנם, אם נצלם בווידיאו התנגשות אלסטית בין שני כדורי ביליארד, או את תנועתו של כוכב - לכת סביב השמש (בחרנו שתי דוגמאות נטולות חיכוך מסיבות שיובהרו בהמשך), נגלה שהסרט שבידינו ניתן להקרנה מההתחלה לסוף ומהסוף להתחלה מבלי שהתופעה המוקרנת תסתור שום חוק מחוקי הטבע.
פיסיקאית ידועה, אמי נתר, הוכיחה שהסימטריות הללו קשורות לחוקי השימור היסודיים של הפיסיקה. כך, למשל, הסימטרייה בזמן נובעת מחוק שימור האנרגיה. כשאנו אומרים "אנרגיה אינה נוצרת יש מאין ואינה נעלמת" כמונו כאומרים "אם הייתה X אנרגיה בתחילת התהליך, תהיה X אנרגיה גם בסופו. "
עכשיו בואו נזכור כי בתורת היחסות הפך הזמן לעוד ממד כמו ממדי המרחב. מה הפלא, אם כן, שהסימטרייה השולטת במרחב חלה גם על הזמן? נחזור שנית לדוגמאות שהזכרנו לעיל, לומר, ההתנגשות בין שני כדורי ביליארד ותנועתו של כוכב לכת סביב השמש. שני התהליכים הם א) סימטריים במרחב, כי אם נשקף אותם בראי יהיה התהליך המשוקף תואם את חוקי הטבע בדיוק כמו התהליך המקורי, וכן ב) סימטריים בזמן, כי אם נצלם אותם בווידיאו ונריץ את הסרט אחורנית יהיה התהליך המהופך תואם את חוקי הטבע בדיוק כמו התהליך המקורי.
הקץ, אם כן, לכל כיווני המרחב והזמן. מעתה, "ימין, " "שמאל, " "קדימה, " "אחורה, " "למעלה, " "למטה, " וכן "עבר" ו"עתיד" אין להם משמעות בחוקי הפיסיקה. חוקים אלה אינם תלויים בצופה והם חלים על כל ההתרחשויות במידה שווה.
מדוע דווקא יש לו
וכאן מתחילה בעיה המטרידה את הפיסיקה מזה שנים רבות: די במבט חטוף סביבנו כדי לגלות שהסימטרייה האחרונה שהזכרנו, זו של הזמן, לא מתקיימת בטבע! כל התהליכים המוכרים לנו, גם אם אינם מבדילים בין "ימין" ו"שמאל, " "למעלה" ו"למטה, " בהחלט מבדילים בין "עבר" ו"עתיד": אם נצלם בווידיאו קוביית קרח הנמסה במים חמים והופכת אותם לפושרים, הרי הסרט ההפוך - מים פושרים המתחממים מאליהם בעוד שבאמצעיתם נוצרת לה קוביית קרח מבהיקה - הוא מגוחך בעליל. כך לגבי גפרורים חדשים ההופכים לפחם ועשן, כך לגבי מאכלים המעלים עובש וכך, למרבה הצער, לגבי בני - אדם המזקינים ומתים. לכל הדברים הללו אין היפוכי זמן. אפילו כדורי הביליארד, עקב החיכוך שלהם עם השולחן, מציגים אסימטרייה, אמנם חלשה, אך היא תלך ותגבר עם הזמן עד שהכדורים ייעצרו. ולא עוד אלא שבכל מקום ביקום בא נסתכל, מצביע חץ הזמן לאותו כיוון. שמשות הולכות ומתקררות, סלעים הולכים ומתפוררים, גלקסיות הולכות ומזקינות, ואם נזכה לגלות יצורים חיים במקומות אחרים ביקום, אין ספק שגם ספלי הקפה שלהם יתקררו וגופיהם יצייתו לאותם חוקי בלייה.
זהו אם כן מצב חמור: אין "צפון" יקומי ולא "למעלה" יקומי ולא שום כיוון מרחבי השליט ביקום, שכן אלו הם כינויים סובייקטיביים המשתנים ממקום למקום. אבל יש בהחלט "עבר" יקומי ו"עתיד" יקומי. הזמן נבדל, אם כן, מממדי המרחב בעוד תכונה מהותית. לאיש מן הרחוב אין בכך שום הפתעה אבל הפיסיקאי השומע חדשות אלה מתעצב אל לבו. אם תורת היחסות שילבה כל כך יפה את כל הממדים, למה בכל זאת שונה הזמן מממדי המרחב?
החוק האחראי לקיומו של חץ - זמן זה ולקיומן של התופעות המצערות שמנינו לעיל, נקרא החוק השני של התרמודינמיקה והוא אומר כך: "בכל מערכת סגורה, יכולה האנטרופיה רק לעלות עם הזמן. "
כמה הבהרות: א) "אנטרופיה" לצורך זה זהה עם "אי - סדר. " ב) "מערכת סגורה" בא להוציא מן הכלל מערכות שבהן מתערב מישהו, כגון בעל - בית העושה סדר בביתו. בבית זה תלך האנטרופיה ותקטן, אבל בסביבה שמחוץ לבית, שהאשפה מהבית הוצאה אליה והחום שהפעיל בעל הבית נפלט אליה, האנטרופיה תגדל וכך ייצא החוק השני צודק גם במקרה זה. ג) הניסוח "לעלות עם הזמן" הופך את החוק השני לחוק ייחודי בין כל חוקי הפיסיקה, כי משתמע ממנו שעליית האנטרופיה מבדילה יפה בין עבר ועתיד, כפי שנוכח למגינת - לבו כל מי שאינו מתערב באנטרופיה שבביתו. בבתים שלא מסדרים ומנקים אותם מדי פעם, האנטרופיה בסוף השבוע תמיד תהיה גדולה יותר מזו שבתחילתו ולעולם לא ההפך. נכון, זה לא הוגן, אבל כאלה הם החיים.
ניסיונותיהם של הפיסיקאים להסביר מדוע קיים "חץ זמן" יקומי, ולא שום חץ דומה במרחב, הביאו ליצירת שתי תשובות מנוגדות, שעל פיהן נחלקה הקהילה המדעית כיום לשני מחנות.
* פילוסופיה / פיזיקה - אסימטריה פורקת עול - על ציר הזמן - חלק 5.
מדוע אין לזמן כיוון
לא התקדמנו הרבה בניסיון לפתור את הסתירה בין מעבר הזמן, עליו מדווחים לנו חושינו, לבין חוקי הלוגיקה והפיסיקה, המכחישים מעבר זה. במצבה הנוכחי של הפיסיקה, לא נראה באופק פתרון לבעיה. ובאמת, אילו הייתה זו הבעיה היחידה הקשורה בזמן, היינו מניחים את הבעיה לפילוסופים ועוברים לעסוק בנושאים יותר מועילים. אבל מתברר שיש עוד בעיה הקשורה בזמן, והיא דווקא שייכת לתחום המחקר הניסיוני. זו הבעיה הידועה בשם האסימטרייה של הזמן. אם נלמד אותה, היא בוודאי תשפוך אור על הבעיה הראשונה.
לפני שנבין למה האסימטרייה היא בעיה, הבה נראה מה כל כך טוב בסימטרייה. חוקי הטבע אינם מבדילים בין ימין, שמאל, למעלה, למטה וכדומה. לו היו עושים כן זה היה עצוב, כי אז לא היינו יכולים לנסח חוקי טבע כלליים. במילים אחרות, האדישות של חוקי הטבע היסודיים לכיווני המרחב היא - היא שעושה אותם לחוקי - יסוד.
הנה דוגמא. יושב אדם אל שולחנו ומשחק במצפן, ואחרי מספר ניסיונות הוא רושם חוק טבע חשוב: "מחט המצפן מצביעה תמיד שמאלה. " בא חברו לבקרו והוא מראה לו את החוק שניסח, אבל החבר רואה שהמצפן מצביע דווקא ימינה, שהרי הוא מביט בו מעברו השני של השולחן! יש כאן, אם כן, שני חוקי טבע לגבי אותה תופעה, התלויים במיקומו של הצופה, וזו לא תוצאה מרשימה במיוחד. נעריך יותר את הישגם של שני הפיסיקאים הללו כאשר, אחרי הרבה חקירות ודרישות, יגיעו לניסוח חוק כללי יותר: "מחט המצפן מצביעה תמיד צפונה. " החוק הזה הוא יותר אינווריאנטי (בלתי משתנה) מקודמו, בכך שאינו תלוי במיקומו של הצופה ביחס לשולחן. אבל לא לעולם חוסן: כשיצאו שני המדענים הדגולים, מצוידים במצפנים, לסיבוב הרצאות בעולם להרצות על חידושם, ויגיעו במקרה לאולם הרצאות המצוי באי אלף רינגנס (Ellef Ringness) צפונית לקנדה, יגלו שההדגמה נכשלת ושני המצפנים מצביעים - שוד ושבר - זה לכיוונו של זה! נחוץ, אם כן, חוק אינווריאנטי אף יותר, שלא יאבד את תוקפו אפילו בצפון או בדרום המגנטיים. על כן יחפרו השניים לעומק כדור הארץ ויגלו שהוא בעצם מגנט ענק המשפיע על כל המצפנים. החוק הבא שלהם יאמר, אם כן, כך: "מחט המצפן מצביעה לכיוון הקוטב הדרומי של השדה המגנטי בו היא נמצאת. " וזה ללא ספק חוק עוד יותר כללי, שכוחו יפה גם על מאדים ואפילו על נוגה, למקרה שיתחשק לשני החברים לנסוע ולהרצות גם שם על התנהגות המצפנים.
וכמו שאין "צפון" או "דרום" אוניברסאליים, אין גם "למעלה" ו"למטה" אוניברסאליים. אמנם, כל הדברים שסביבנו נופלים למטה ולא למעלה, אבל מעברו השני של כדור הארץ, באוסטרליה, שם גרים אנשים טובים שראשם למטה ורגליהם למעלה, נופלים הדברים, מבחינתנו, למעלה. לכן גם כאן נחוץ חוק טבע אינווריאנטי: במקום "דברים נופלים למטה" נאמר "דברים נופלים לכיוון העצם בעל המסה המפעיל עליהם כוח משיכה. " הנה כך, במקום מושגים סובייקטיביים, תלויים בצופה, נתנה לנו הפיסיקה מערכת חוקים אובייקטיבית, תקפה לכל צופה, ומשום כך סימטרית לחלוטין.
אם חוקי הטבע הם סימטריים במרחב, הם צריכים להיות סימטריים גם בזמן, כלומר, לא להבחין גם בין "עבר" ו"עתיד. " ואמנם, אם נצלם בווידיאו התנגשות אלסטית בין שני כדורי ביליארד, או את תנועתו של כוכב - לכת סביב השמש (בחרנו שתי דוגמאות נטולות חיכוך מסיבות שיובהרו בהמשך), נגלה שהסרט שבידינו ניתן להקרנה מההתחלה לסוף ומהסוף להתחלה מבלי שהתופעה המוקרנת תסתור שום חוק מחוקי הטבע.
פיסיקאית ידועה, אמי נתר, הוכיחה שהסימטריות הללו קשורות לחוקי השימור היסודיים של הפיסיקה. כך, למשל, הסימטרייה בזמן נובעת מחוק שימור האנרגיה. כשאנו אומרים "אנרגיה אינה נוצרת יש מאין ואינה נעלמת" כמונו כאומרים "אם הייתה X אנרגיה בתחילת התהליך, תהיה X אנרגיה גם בסופו. "
עכשיו בואו נזכור כי בתורת היחסות הפך הזמן לעוד ממד כמו ממדי המרחב. מה הפלא, אם כן, שהסימטרייה השולטת במרחב חלה גם על הזמן? נחזור שנית לדוגמאות שהזכרנו לעיל, לומר, ההתנגשות בין שני כדורי ביליארד ותנועתו של כוכב לכת סביב השמש. שני התהליכים הם א) סימטריים במרחב, כי אם נשקף אותם בראי יהיה התהליך המשוקף תואם את חוקי הטבע בדיוק כמו התהליך המקורי, וכן ב) סימטריים בזמן, כי אם נצלם אותם בווידיאו ונריץ את הסרט אחורנית יהיה התהליך המהופך תואם את חוקי הטבע בדיוק כמו התהליך המקורי.
הקץ, אם כן, לכל כיווני המרחב והזמן. מעתה, "ימין, " "שמאל, " "קדימה, " "אחורה, " "למעלה, " "למטה, " וכן "עבר" ו"עתיד" אין להם משמעות בחוקי הפיסיקה. חוקים אלה אינם תלויים בצופה והם חלים על כל ההתרחשויות במידה שווה.
מדוע דווקא יש לו
וכאן מתחילה בעיה המטרידה את הפיסיקה מזה שנים רבות: די במבט חטוף סביבנו כדי לגלות שהסימטרייה האחרונה שהזכרנו, זו של הזמן, לא מתקיימת בטבע! כל התהליכים המוכרים לנו, גם אם אינם מבדילים בין "ימין" ו"שמאל, " "למעלה" ו"למטה, " בהחלט מבדילים בין "עבר" ו"עתיד": אם נצלם בווידיאו קוביית קרח הנמסה במים חמים והופכת אותם לפושרים, הרי הסרט ההפוך - מים פושרים המתחממים מאליהם בעוד שבאמצעיתם נוצרת לה קוביית קרח מבהיקה - הוא מגוחך בעליל. כך לגבי גפרורים חדשים ההופכים לפחם ועשן, כך לגבי מאכלים המעלים עובש וכך, למרבה הצער, לגבי בני - אדם המזקינים ומתים. לכל הדברים הללו אין היפוכי זמן. אפילו כדורי הביליארד, עקב החיכוך שלהם עם השולחן, מציגים אסימטרייה, אמנם חלשה, אך היא תלך ותגבר עם הזמן עד שהכדורים ייעצרו. ולא עוד אלא שבכל מקום ביקום בא נסתכל, מצביע חץ הזמן לאותו כיוון. שמשות הולכות ומתקררות, סלעים הולכים ומתפוררים, גלקסיות הולכות ומזקינות, ואם נזכה לגלות יצורים חיים במקומות אחרים ביקום, אין ספק שגם ספלי הקפה שלהם יתקררו וגופיהם יצייתו לאותם חוקי בלייה.
זהו אם כן מצב חמור: אין "צפון" יקומי ולא "למעלה" יקומי ולא שום כיוון מרחבי השליט ביקום, שכן אלו הם כינויים סובייקטיביים המשתנים ממקום למקום. אבל יש בהחלט "עבר" יקומי ו"עתיד" יקומי. הזמן נבדל, אם כן, מממדי המרחב בעוד תכונה מהותית. לאיש מן הרחוב אין בכך שום הפתעה אבל הפיסיקאי השומע חדשות אלה מתעצב אל לבו. אם תורת היחסות שילבה כל כך יפה את כל הממדים, למה בכל זאת שונה הזמן מממדי המרחב?
החוק האחראי לקיומו של חץ - זמן זה ולקיומן של התופעות המצערות שמנינו לעיל, נקרא החוק השני של התרמודינמיקה והוא אומר כך: "בכל מערכת סגורה, יכולה האנטרופיה רק לעלות עם הזמן. "
כמה הבהרות: א) "אנטרופיה" לצורך זה זהה עם "אי - סדר. " ב) "מערכת סגורה" בא להוציא מן הכלל מערכות שבהן מתערב מישהו, כגון בעל - בית העושה סדר בביתו. בבית זה תלך האנטרופיה ותקטן, אבל בסביבה שמחוץ לבית, שהאשפה מהבית הוצאה אליה והחום שהפעיל בעל הבית נפלט אליה, האנטרופיה תגדל וכך ייצא החוק השני צודק גם במקרה זה. ג) הניסוח "לעלות עם הזמן" הופך את החוק השני לחוק ייחודי בין כל חוקי הפיסיקה, כי משתמע ממנו שעליית האנטרופיה מבדילה יפה בין עבר ועתיד, כפי שנוכח למגינת - לבו כל מי שאינו מתערב באנטרופיה שבביתו. בבתים שלא מסדרים ומנקים אותם מדי פעם, האנטרופיה בסוף השבוע תמיד תהיה גדולה יותר מזו שבתחילתו ולעולם לא ההפך. נכון, זה לא הוגן, אבל כאלה הם החיים.
ניסיונותיהם של הפיסיקאים להסביר מדוע קיים "חץ זמן" יקומי, ולא שום חץ דומה במרחב, הביאו ליצירת שתי תשובות מנוגדות, שעל פיהן נחלקה הקהילה המדעית כיום לשני מחנות.
* פילוסופיה / פיזיקה - אסימטריה פורקת עול - על ציר הזמן - חלק 5.
050-3331-331