מה השעה עכשיו? אנחנו רגילים לענות על השאלה הזאת באמצעות הטלפון, שעון היד או השעון שעל הקיר. אבל מה היה קורה אילו לא היה שום שעון בעולם? ואיך בכלל אפשר לדעת שהזמן חולף, אם אין שום דבר שמודד אותו?
השאלות האלה עומדות במרכזו של ניסוי יוצא דופן שערך פרופ' ג'ובאני ברונטיני מאוניברסיטת ברמינגהם בבריטניה. באמצעות כ־24 אלף אטומים הוא יצר במעבדה מערכת שמדמה, בצורה פשוטה מאוד, יקום קטן. התוצאה המפתיעה: אפשר היה לעקוב אחר התקדמות האירועים בתוך המערכת בלי להיעזר בשעון חיצוני.
עוד כתבות בנושא
המחקר פורסם ביוני האחרון בכתב העת המדעי Physical Review Research, ולאחרונה זכה לסקירה נוספת באתר המדע ScienceDaily. הוא עשוי לסייע למדענים להתמודד עם אחת השאלות המורכבות ביותר בפיזיקה: האם הזמן הוא משהו שקיים בפני עצמו, או שהוא נובע מהשינויים שמתרחשים בעולם?
הכי מעניין
אנחנו יודעים, למשל, שהבוקר מגיע אחרי הלילה, שילד גדל והופך למבוגר ושכוס שנשברת אינה חוזרת מעצמה למצבה הקודם. כל אלה מלמדים אותנו שהזמן מתקדם בכיוון מסוים, מהעבר אל העתיד. אבל רבים מחוקי הפיזיקה הבסיסיים פועלים באותה צורה גם אם הופכים את כיוון הזמן בחישובים. אז מדוע אנחנו חווים את הזמן דווקא בכיוון אחד?
יקום של 24 אלף אטומים
לצורך הניסוי השתמש ברונטיני בכ־24 אלף אטומים של היסוד רובידיום, שקוררו לטמפרטורה נמוכה במיוחד – מיליארדיות בודדות של מעלה מעל האפס המוחלט, הטמפרטורה הנמוכה ביותר האפשרית בטבע, שעומדת על מינוס 273.15 מעלות צלזיוס. בטמפרטורות נמוכות כל כך, האטומים מתנהגים בדרכים יוצאות דופן, שאפשר להסביר באמצעות חוקי הפיזיקה הקוונטית. החוקר השתמש בתכונות האלה כדי ליצור מערכת מבודדת כמעט לחלוטין מהסביבה החיצונית.
באמצעות קרני לייזר הוא חילק את המערכת לשני אזורים, שהאטומים יכלו לנוע ביניהם. אחד האזורים היה נתון למעקב, ואילו השני שימש חלק מהמערכת שלא נמדד ישירות. באזור שנמדד, האטומים התפשטו והתכווצו שוב ושוב, בדומה למודל פשוט של יקום שמתרחב ואחר כך קורס בחזרה לתוך עצמו. בפיזיקה מכנים את שני התרחישים האלה "המפץ הגדול" ו"הקריסה הגדולה".
כמובן, החוקרים לא יצרו יקום אמיתי, וגם לא גרמו למפץ גדול נוסף. מדובר במערכת זעירה שמאפשרת לדמות היבטים מסוימים בהתנהגות היקום, ולבדוק באמצעותה רעיונות שקשה מאוד לחקור בדרך אחרת.
ואז הגיע החלק המעניין ביותר: במקום למדוד כמה שניות עברו באמצעות שעון, ברונטיני בדק כיצד משתנה פיזור האטומים בתוך המערכת.
איך מודדים זמן בלי שעון?
כדי להבין את השיטה, צריך להכיר מושג בסיסי בפיזיקה שנקרא "אנטרופיה". במילים פשוטות, זהו מדד שקשור לאופן שבו החומר והאנרגיה מתפזרים במערכת, ולמספר הדרכים שבהן הם יכולים להיות מסודרים. ברונטיני השתמש בשינויים בפיזור האטומים כדי ליצור מדד זמן פנימי, שאותו כינה "זמן אנטרופי".
הרעיון פשוט יחסית: במקום להשתמש בשעון חיצוני שאומר לנו כמה זמן עבר, אפשר לעקוב אחר השינויים שמתרחשים בתוך המערכת עצמה. כך, למשל, אפשר לדעת שאירוע מסוים התרחש לפני אירוע אחר על פי השינויים בפיזור החלקיקים. כאשר פיזור האטומים השתנה, מדד הזמן הפנימי התקדם. כאשר הפיזור נותר ללא שינוי, גם המדד הפסיק להתקדם.
חשוב להדגיש: אין פירוש הדבר שהזמן באמת נעצר במעבדה. המשמעות היא שרק מדד הזמן המסוים הזה הפסיק להתקדם, מפני שהשינויים שעליהם הוא מבוסס פסקו.
החוקר גילה שהמדד מאפשר לקבוע את סדר האירועים גם כאשר המערכת מתרחבת ומתכווצת שוב ושוב. בנוסף, הקצב שבו המדד התקדם לא היה קבוע: לעיתים הוא היה מהיר יותר ולעיתים איטי יותר, בהתאם לשינויים באנטרופיה של המערכת.
למרות ההבדלים בקצב, מדד הזמן התקדם בכיוון אחד, מה שאפשר לשמור על סדר האירועים. התוצאה הזאת חשובה במיוחד משום שהיא מאפשרת לחקור את מה שהמדענים מכנים "חץ הזמן" – הסיבה לכך שאנחנו מבחינים בין העבר לעתיד.
האם הזמן הוא בכלל חלק מהיקום?
"בכמה מהתיאוריות על היקום, ובמיוחד בתחום הכבידה הקוונטית, הזמן אינו מופיע כתכונה מובנית", הסביר ברונטיני. "ובכל זאת, בחיי היומיום הזמן זורם מהעבר אל העתיד. מדוע זה קורה, כאשר רוב חוקי הפיזיקה הבסיסיים פועלים באותה צורה גם קדימה וגם אחורה בזמן?"
לדברי החוקר, הניסוי מספק ראיות לכך שאפשר להגדיר זמן באמצעות השינויים שמתרחשים בתוך מערכת, ולא רק בעזרת שעון חיצוני שמודד את התקדמותו.
וזה לא הכול. ברונטיני הצליח גם להשתמש במדד הזמן הפנימי כדי לתאר את התנהגות האטומים באמצעות גרסה מותאמת של אחת המשוואות המרכזיות בפיזיקה הקוונטית, משוואת שרדינגר.
המשוואה משמשת מדענים כדי לתאר כיצד מערכות קוונטיות משתנות לאורך זמן. העובדה שאפשר להשתמש בה גם באמצעות הזמן הפנימי שנוצר בניסוי מחזקת את האפשרות שמדובר במדד בעל משמעות פיזיקלית, ולא רק בדרך שרירותית לסדר את האירועים.
האם המשמעות היא שהזמן אינו קיים באמת? לא. הניסוי אינו מוכיח שהזמן הוא אשליה, וגם אינו מסביר באופן סופי כיצד נוצר הזמן ביקום שלנו. אבל הוא מעניק למדענים כלי חדש לחקור שאלות שעד כה נדונו בעיקר במסגרת תיאוריות וחישובים מתמטיים.
בעתיד מקווים החוקרים להרחיב את הניסוי למערכות מורכבות יותר, ולבדוק באמצעותן רעיונות הנוגעים לראשית היקום, לאפשרות של יקום שיתכווץ לאחר התפשטותו, ואפילו לתופעות הקשורות לחורים שחורים.
עוד כתבות בנושא
