מעולם ועד עתה

פרולוג

מישהו יודע באמת מה השעה?

 

ספר זה עוסק בטבע הזמן, בראשית היקום ובמבנה היסודי של המציאות הפיזיקלית. צניעות? לא כאן בבקשה. השאלות שאיתן אנחנו מתמודדים עתיקות ומכובדות: מאין הגיעו הזמן והמרחב? האם היקום שאנחנו רואים הוא כל מה שקיים, או שמא קיימים ״יקומים״ אחרים מעבר למה שאנחנו יכולים לראות? במה שונה העתיד מהעבר?

על פי החוקרים של מילון אוקספורד באנגלית, זמן הוא שם העצם השכיח ביותר בשפה האנגלית. חיינו מתנהלים בזמן, אנחנו עוקבים אחריו באובססיביות ומנהלים מירוץ נגדו מדי יום — אך למרבה ההפתעה, אנשים מעטים מסוגלים להסביר בפשטות מהו זמן.

בעידן האינטרנט, אנו יכולים לפנות לוויקיפדיה לעזרה. נכון לכתיבת שורות אלה, הערך האנגלי ״זמן״ מתחיל באופן הבא:

זמן הוא מרכיב במערכת מדידה המשמש לקביעת סדר אירועים, להשוואה בין משכי אירועים וההפסקות ביניהם ולכימות תנועותיהם של גופים. הזמן הוא נושא עיון חשוב בדתות, בפילוסופיה ובמדע, אבל גדולי ההוגים והמדענים נכשלו עד כה בהגדרת הזמן באופן חד־משמעי המקובל בכל תחומי המחקר.2

זה האתגר. במהלך הספר, נגדיר את הזמן בדיוק רב, ובאופן שאפשר ליישם בכל תחומי המחקר. לרוע המזל, לא נצליח לספק הסבר שיבהיר מדוע ניחן הזמן בתכונות שלו — אף שנבחן כמה רעיונות מעניינים.

הקוסמולוגיה, חקר היקום כולו, התקדמה בצעדי ענק במאה השנים האחרונות. לפני ארבעה־עשר מיליארד שנים, היה היקום שלנו (או לפחות החלק שלו שאנו יכולים לראות) במצב חם ודחוס להדהים, שאנו מכנים ״המפץ הגדול״. מאז הוא מתפשט ומתקרר, וכנראה ימשיך כך בעתיד הנראה לעין, ואולי לעד.

לפני מאה שנים, לא ידענו דבר מכל זאת — והלכה למעשה, מדענים לא הבינו דבר על מבנה היקום מעבר לגלקסיית שביל החלב. כיום כבר מדדנו את גודל היקום הנצפה וביכולתנו לתאר בפרוטרוט את ממדיו וצורתו, וכן את מרכיביו ואת קווי המתאר של ההיסטוריה שלו. אבל שאלות חשובות עוד נותרו ללא מענה, במיוחד בכל הקשור לרגעים הראשונים של המפץ הגדול. כפי שנראה, לשאלות אלה יש תפקיד מפתח בהבנת הזמן — לא רק במרחבי היקום המרוחקים, אלא גם במעבדות על כדור הארץ ואפילו בחיי היומיום.

 

הזמן מאז המפץ הגדול

 

ברור שהיקום מתפתח בחלוף הזמן — היקום המוקדם היה חם ודחוס; היקום הנוכחי קר ודליל. אבל בכוונתי להאיר קשר עמוק בהרבה. המסתורין הגדול ביותר בנוגע לזמן הוא העובדה שיש לו כיוון: העבר שונה מהעתיד. זהו חץ הזמן — בניגוד לכיוונים במרחב, שכולם שווים פחות או יותר, אין חולק על כך שליקום יש כיוון מועדף בזמן. אחת הטענות החשובות בספר זה היא שחץ הזמן קיים משום שהיקום מתפתח באופן מסוים.

הסיבה לכיוון הזמן היא שהיקום מלא בתהליכים בלתי הפיכים — דברים מתרחשים בכיוון אחד של הזמן אך לעולם לא באחר. אפשר להפוך ביצה לחביתה, כמו בדוגמה הקלסית, אבל אי־אפשר להפוך חביתה לביצה. חלב מתערבב בקפה; דלק בוער ונהפך לגזי פליטה; אנשים נולדים, מזדקנים ומתים. בכל מקום בטבע אנחנו עדים לכך שאירוע מסוים מתרחש ורק לאחריו מתרחש אירוע אחר; יחד, הם מגדירים את חץ הזמן.

במפתיע, אנו נעזרים במושג יסודי אחד כדי להבין תהליכים בלתי הפיכים: דבר בשם אנטרופיה, שמודדת את ״חוסר הסדר״ של גוף או קבוצה של גופים. לאנטרופיה יש נטייה עיקשת לגדול בחלוף הזמן, או לפחות להישאר קבועה — וזהו בדיוק החוק השני המפורסם של התרמודינמיקה.3 הסיבה לכך שהאנטרופיה נוטה לגדול פשוטה עד כדי להטעות: יש יותר דרכים להיות חסר סדר מאשר מסודר, ולכן (בהיעדר גורם אחר) קבוצה מסודרת של גופים תיטה באופן טבעי להפוך לחסרת סדר. לא כל כך קשה לטרוף את מולקולות הביצה לחביתה, אבל סידורן הקפדני בצורת ביצה נמצא מעבר לכוחותינו.

הסיפור הרגיל שפיזיקאים מספרים לעצמם נעצר בדרך כלל בנקודה זו. אבל יש בו מרכיב חיוני נוסף שלא זכה לתשומת לב מספקת: אם כל דבר ביקום מתפתח למצבים של חוסר סדר גדול יותר, הוא ודאי החל במצב מסודר לעילא. קו המחשבה הלוגי הזה, המנסה להסביר מדוע אי־אפשר להפוך חביתה לביצה, נשען על הנחה עמוקה בדבר מוצא היקום: הוא היה במצב בעל אנטרופיה נמוכה מאוד וסדר גבוה מאוד.

חץ הזמן מחבר את היקום המוקדם למשהו שאנחנו חווים בכל רגע בחיינו. לא מדובר רק על שבירת ביצים, או תהליכים בלתי הפיכים אחרים כגון מזיגת חלב לקפה או לכך שחדר שלא מנקים ומסדרים אותו נעשה מבולגן יותר במרוצת הזמן. חץ הזמן הוא הסיבה לכך שהזמן נדמה כזורם סביבנו, או (אם תרצו) לכך שנדמה כי אנחנו נעים בזמן. הוא הסיבה שאנחנו זוכרים את העבר, אך לא את העתיד. הוא הסיבה שאנחנו מתפתחים, מזדקנים ובסופו של דבר מתים. הוא הסיבה שאנחנו מאמינים בסיבה ובתוצאה, וגם יש לו השפעה מהותית על רעיון הרצון החופשי.

והכול בגלל המפץ הגדול.

 

יש דברים שאנחנו לא רואים

 

אפשר לתמצת את תעלומת חץ הזמן בשאלה הבאה: למה סודרו התנאים ביקום המוקדם בצורה מסוימת, במצב בעל אנטרופיה נמוכה שאִפשר לכל התהליכים המעניינים והבלתי הפיכים להתרחש? זאת השאלה שספר זה מנסה לענות עליה. לרוע המזל, איש עוד לא יודע מהי התשובה הנכונה. אבל הגענו לשלב בהתפתחות המדע המודרני שבו יש בידינו הכלים להתמודד עם השאלה ברצינות.

מדענים והוגים קדם־מדעיים ניסו תמיד להבין את הזמן. ביוון העתיקה, הביעו הפילוסופים הקדם־סוקרטיים הרקליטוס ופרמנידס דעות שונות על טבע הזמן: הרקליטוס הדגיש את חשיבותו העליונה של השינוי, בעוד פרמנידס הכחיש שהשינוי מתרחש במציאות. המאה התשע־עשרה הייתה תור התהילה של המכניקה הסטטיסטית — שהסיקה את התנהגותם של גופים מקרוסקופיים ממרכיביהם המיקרוסקופיים — ובעזרתה פענחו אישים כמו לודוויג בולצמן, ג'יימס קלרק מקסוול וג'וזייה וילארד גיבס את משמעות האנטרופיה ואת תפקידה בתהליכים בלתי הפיכים. אבל הם לא ידעו דבר על תורת היחסות הכללית של איינשטיין, או על מכניקת הקוונטים, וּודאי שלא היה להם כל ידע על הקוסמולוגיה המודרנית. בפעם הראשונה בהיסטוריה של המדע, יש לנו לפחות סיכוי לפתח תיאוריה סבירה של הזמן והתפתחות היקום.

אני מתכוון להציע את הדרך הבאה להיחלץ מהעניין: המפץ הגדול לא היה ראשית היקום. לפעמים קוסמולוגים אומרים שהמפץ הגדול מייצג גבול אמיתי לחלל ולזמן, שלפניו דבר לא התקיים — ואמנם, הזמן עצמו לא התקיים אז, ולכן אי־אפשר להחיל את המושג ״לפניו״ במובן המלא של המילה. אבל אנחנו לא יודעים די על חוקי הפיזיקה המלאים כדי להצהיר בביטחון הצהרה מעין זו. מדענים בני זמננו מתייחסים במידה הולכת וגוברת של רצינות לאפשרות שהמפץ הגדול איננו ההתחלה האמיתית — הוא רק שלב שהיקום עבר, או לפחות חלק מהיקום שלנו. אם הם צודקים, שאלת האנטרופיה הנמוכה מיד לאחר המפץ הגדול מקבלת פרשנות שונה: לא ״למה החל היקום באנטרופיה נמוכה כל כך?״ אלא ״למה עבר חלק מהיקום שלנו תקופה של אנטרופיה נמוכה כל כך?״

אולי נדמה ששאלה זו קשה לא פחות, אך היא שונה, והיא פותחת בפנינו קבוצה חדשה של תשובות אפשריות. אולי היקום שאנחנו רואים הוא רק חלק מיקום־על גדול בהרבה, שלא מתחיל כלל במצב של אנטרופיה נמוכה. בכוונתי לטעון שבמודל הסביר ביותר של יקום־העל האנטרופיה גדלה, כי היא יכולה לגדול תמיד — אין בו מצב של אנטרופיה מרבית. יתר על כן, יקום־העל יכול להיות סימטרי לחלוטין בזמן: מרגע מסוים באמצע שבו האנטרופיה גבוהה, הוא מתפתח בעבר ובעתיד למצבים שבהם האנטרופיה גבוהה עוד יותר. היקום שאנחנו רואים הוא רסיס קטן של צֶבֶר עצום בגודלו, והמסע שלנו ממפץ גדול דחוס לריקנות נצחית הוא חלק ממסעו של יקום־העל הגדול יותר להגדלת האנטרופיה שלו.

זאת אחת האפשרויות, בכל אופן. אני מתאר אותה כאן כדוגמה לסוג התרחישים שקוסמולוגים צריכים לבדוק, אם הם רוצים להתייחס ברצינות לבעיות שיוצר חץ הזמן. אך בלי קשר לשאלת הנכונות של הרעיון המסוים הזה, הבעיות עצמן מרתקות וממשיות. במשך רוב הספר, נבחן את הבעיות הקשורות בזמן ממגוון זוויות — מסע בזמן, מידע, מכניקת הקוונטים, טבעו של הנצח. אם איננו בטוחים באשר לתשובה הנחרצת, אנחנו מחויבים לשאול את השאלה במגוון דרכים רב ככל האפשר.

 

תמיד יהיו ספקנים

 

לא הכול מסכימים שהקוסמולוגיה צריכה לגלם תפקיד בולט בהבנת חץ הזמן. פעם העברתי סמינר בנושא זה בפני קהל גדול במחלקה חשובה לפיזיקה. אחד הפרופסורים המבוגרים במחלקה לא חשב שהרצאתי משכנעת וּוידא שכולם בחדר ישימו לב למורת רוחו. למחרת הוא שלח דוא״ל לחברי סגל ההוראה במחלקה, ועותק ממנו הוא העביר גם אליי, ברוב אדיבותו:

לבסוף, גודל האנטרופיה של היקום כפונקציה של הזמן הוא בעיה מעניינת מאוד בקוסמולוגיה, אבל ההצעה שחוק פיזיקלי כלשהו תלוי בה היא שטות מוחלטת. הכרזתו של קרול שהחוק השני חב את קיומו לקוסמולוגיה היא אחת ההערות המטומטמות ביותר [כך במקור] ששמעתי בסמינרי הפיזיקה שלנו, מלבד דבריו הקודמים של [נמחק] על תודעה במכניקת הקוונטים. אני נדהם מכך שפיזיקאים בקהל תמיד מקשיבים בנימוס לשטויות כאלה. לאחר מכן, אכלתי ארוחת ערב עם כמה סטודנטים לתארים מתקדמים שהבינו בקלות את התנגדותי, אבל קרול נותר מבוצר בדעותיו.

אני מקווה שהוא יקרא את הספר. כלולות בו הצהרות דרמטיות רבות, אבל איזהר ככל יכולתי להבדיל בין שלושה סוגי הצהרות: (1) מאפיינים יוצאי דופן של הפיזיקה המודרנית שנשמעים מדהימים, אך למרות זאת הם מקובלים ברבים כנכונים; (2) טענות גורפות שאינן מקובלות בהכרח על רבים מהפיזיקאים — ולא בצדק, שכן אין כל ספק באשר לתקפותן; ו־(3) רעיונות ספקולטיביים שנמצאים מעבר לגבולות המבוססים של המדע העדכני ביותר. בשום פנים לא נסתייג מספקולציה, אבל היא תמיד תסוּוג ככזו באופן ברור. בסופו של דבר, יהיו בידיכם הכלים להכריע בעצמכם אילו חלקים בסיפור הגיוניים.

נושא הזמן חובק רעיונות רבים, חלקם יומיומיים וחלקם מדהימים. אנחנו נדבר על תרמודינמיקה, מכניקת הקוונטים, תורת היחסות הפרטית ותורת היחסות הכללית, תורת האינפורמציה, קוסמולוגיה, פיזיקת חלקיקים וכבידה קוונטית. אפשר להתייחס לחלק הראשון בספר כאל סיור בזק בשטח — אנטרופיה וחץ הזמן, התפתחות היקום ומושגים שונים של רעיון ״הזמן״ עצמו. אז נתקדם בשיטתיות רבה יותר: בחלק השני נחשוב לעומק על המרחב־זמן ועל יחסות, ובכלל זה על האפשרות של מסע לעבר; בחלק השלישי נחשוב לעומק על האנטרופיה, ונחקור את תפקידה בהקשרים רבים, החל בהתפתחות החיים וכלה במסתרי המכניקה הקוונטית.

 

בחלק הרביעי נקשור את כל החוטים ונתמודד ישירות עם התעלומות שהאנטרופיה מציבה בפני הקוסמולוג המודרני: כיצד צריך היקום להיראות, ומה ההבדל בין זה לבין המראה האמיתי שלו? אחרי שאבהיר בקפדנות לְמה כוונתי, אטען שהיקום כלל לא נראה כפי שהוא ״אמור״ להיראות — לפחות, לא אם היקום שאנחנו רואים הוא כל מה שיש. אם היקום שלנו התחיל במפץ הגדול, מוטל עליו נטל של תנאי גבול מיוחד שאיננו מסוגלים להסביר באופן משכנע. אך אם היקום הנצפה הוא חלק מצֶבֶר גדול יותר — יקום־על — אולי נוכל להסביר מדוע חלק זעיר בצבר הזה חווה שינוי דרמטי כל כך באנטרופיה מקצה אחד של הזמן לקצהו השני.

כל זאת ספקולטיבי באופן חסר בושה, אך כדאי להתייחס לדברים ברצינות. רבות מוטל על כף המאזניים — זמן, מרחב, היקום — והטעויות שנעשה לאורך הדרך יהיו ללא ספק רבות לא פחות. אך לפעמים כדאי להניח לדמיון לשוטט במחוזות אחרים, אפילו אם מטרתנו היא לרדת לקרקע המציאות ולהסביר מה קורה במטבח.