חורי תולעת ואשליית הזמן


עד עכשיו דנו בהבנה של המיסתורין והפרשנויות השונות לגבי מושג הזמן כפי שעלו בהיסטוריה של הפילוסופיה והפיזיקה של העולם המערבי (בפוסטים עתידיים אני אדבר גם על תפיסות שהתפתחו במזרח והחיבור שלהן לפיזיקה החדשה).

בנוסף, הגדרנו והעמקנו במושגים מרכזיים בתורת היחסות, תורת הקוואנטים ותורת המורכבות, אשר אני מאמין שהם קריטיים, בניסיון שלנו להבין את מושג הזמן ואת השאלות והפרדוקסים הנובעים מהתפיסה הקיימת של מושג זה. מושגים אלו, הם אבני הבניין של הסבר אפשרי להגדרות הבסיס של המציאות והתפיסה שלנו אותה.

הסיפור שסיפרתי עד עכשיו ניתן, במידה מסוימת, להגדירו כקונצנזוס בקהילה הפיזיקלית והפילוסופית.

כעת אני רוצה לעבור לשלב הבא, השלב בו אנחנו נכנסים לאזור האפור, שאין בו עדיין קונצנזוס והניסיונות להסביר את העולם פונים לכיוונים שונים. בפוסט זה, אתאר השערות וניסויים שבוצעו ממש בשנים האחרונות ומתחילים להשפיע על השיח והלך הרוח בקהילה הפיזיקלית. התפיסות שאפרט פה, מבוססות על מחקרים של בכירי הפיזיקאים בעולם הקוואנטי והקוסמולוגי, בניסיונם לשלב את תורת הקוואנטים עם תורת היחסות מתוך נקודת מבט הנוגעת במושג הזמן. אמנם, תפיסות אלו עדיין אינן מבוססות מספיק ונתונות במחלוקות ובביקורת רבה, אולם, יש בהם, לדעתי, המשך ישיר ועקבי לסיפור שסיפרתי עד עכשיו. תפיסות אלו נמצאות בשולי השיח כרגע ועדיין לא ניתן לכלול אותן במסגרת הפרדיגמה השלטת.

אני לא אדון בשלב זה בתאוריות נוספות שעומדות במרכז השיח ובעיקר בשתיים: תאורית המיתרים ותאורית העולמות המקבילים. לא אעשה זאת, מכיוון שחלק מההשערות שאציין פה, התפתחו בחלקן מתוך תאורית המיתרים ואין בתיאור שלה עצמה ערך מוסף לדעתי. בנוסף, אני מאמין שתאורית העולמות המקבילים היא פתרון פשוט מידי, שקל לברוח אליו, אבל הוא לא ממש ניתן לבחינה ולהפרכה ולכן, לדעתי, פחות מעניין. ייתכן שבפוסטים עתידיים אפרט קצת יותר, לגבי תאוריות נוספות הנמצאות היום במרכז השיח המנסה להגיע ל"תאוריה של הכל", אשר תאחד את תורת הקוואנטים ותורת היחסות.

בשנים האחרונות התפתחו שני תהליכים מרתקים, שלדעתי, יהוו בסיס חזק לבנייה של תמונת המציאות שלנו. אנסה לתאר את שניהם להלן:

ER=EPR

לגבי פרדוקס EPR, כבר הרחבתי בפוסט "שזירה קוואנטית: מציאות של מדע בידיוני". פרדוקס זה הראה, שבמסגרת תורת הקוואנטים, יכולים שני חלקיקים (או שתי מערכות של חלקיקים) להשפיע זה על זה באופן ישיר ומיידי, מבלי שתעבור ביניהם אינפורמציה. כלומר, ההשפעה היא מעל מהירות האור המקסימלית בטבע ולכן התובנה הנובעת מפרדוקס זה סותרת את תכונת הלוקליות בעולם. במילים אחרות, פרדוקס זה סותר את הידיעה שלנו, ששום דבר, לא יכול להשפיע על שום דבר, אם הוא לא מקיים איתו אינטראקציה פיזית או מעביר לו מידע.

ER הוא קיצור של מושג נוסף שטרם דנו בו: גשרי איינשטיין-רוזן (Einstein-Rosen). מדובר באותם אלברט איינשטיין ונתן רוזן מפרדוקס EPR, אולם, הם פיתחו את שני המושגים בנפרד ובלי שום קשר ביניהם. גשר איינשטיין-רוזן הוא השערה שלהם, המבוססת על תורת היחסות וטוענת שכאשר המרחב והזמן מתעקמים באופן משמעותי, נוצר גשר בין שתי נקודות מרוחקות במרחב זמן, אשר תאורטית, מאפשר מעבר מנקודת אחת לשנייה באופן מידי, על אף המרחק הרב ביניהן במרחב-זמן (ראה הדמיה להלן). רעיון זה, אשר מוכר בספרות ובסרטי מדע בידיוני כ"חור תולעת", הוא תוצאה ישירה של תורת היחסות. המרחב-זמן מתעקם באופן משמעותי בשל מאסה/אנרגיה אדירה (כמו למשל במקרה של חור שחור) ויוצר מצב שבו, מה שנראה לצופה כשתי נקודות מרוחקות מאוד במרחב, בעצם מחוברות אחת לשניה.

על רעיון זה מבוססים רוב התיאורים במדע הבידיוני אשר מאפשר קפיצה מנקודה מסוימת בחלל ובזמן לנקודה אחרת מרוחקת בחלל ובזמן ובאופן מידי.

בשנת 2010 פרסם מארק ון ראמסדונק (Mark Van Raamsdonk) מאוניברסיטת בריטיש קולומביה מאמר בשם "Building up spacetime with quantum entanglement"[i]. במאמר זה, מעלה ואן ראמסדונק את הרעיון ששזירה קוואנטית היא הדבק המחבר את חלקי המרחב זמן. כלומר, באיזושהי צורה, השזירה הקוואנטית, יכולה לתת מענה לשאלה, מדוע נראה המרחב-זמן כפי שאנו רואים אותו?

על בסיס רעיונות אלו ובהמשך לעבודה משותפת של חואן מלדסנה (Juan Maldacena) מאוניברסיטת הרווארד ולאונרד סוסקינד (Leonard Susskind) מאוניברסיטת סטנפורד, בשנת 2013, פרסם מלדסנה מאמר בשם " [ii]Entanglement and the Geometry of Spacetime. במאמר זה מלדסנה עונה בחיוב על השאלה, אותה הוא מעלה בתחילת המאמר:

Can the weird quantum mechanical property of entanglement give rise to wormholes connecting far away regions in space?


כלומר, לפי תיאוריה זו, אזורים שונים במרחב זמן ומערכות שונות יכולות להיות מקושרות באמצעות "חורי תולעת" הנוצרים כחלק מתהליכי שזירה קוואנטית.

מיד לאחר מכן, הוא הוגה את רעיון ה- ER=EPR וסוסקינד מפרסם, בסוף שנת 2014, מאמר בשם ER=EPR[iii]. במאמרו, סוסקינד טוען, בהתייחסו לחורים שחורים, שחלקיקים שזורים מקושרים זה לזה באמצעות חורי תולעת. כלומר, מה שמחבר את המרחב-זמן הם "חוטים" השוזרים את חלקי המרחב-זמן למארג אחיד ומתמשך. כל אזור במרחב זמן, מקשור בגשר איינשטיין רוזן, לאזור אחר וכמו בשני חלקי בד תפורים, השזירה הקוואנטית היא ששוזרת את החלקים השונים לאריג שלם.

במילים אחרות, אנחנו מקבלים יקום שהופך לרשת קשרים מורכבת, אשר הקישורים בנויים על בסיס עקרונות השזירה הקוואנטית וזאת באמצעות עיקום המרחב זמן, אשר יוצר חיבורים בצורת "חורי תולעת" (גשרי איינשטיין רוזן).

זמן אמרגנטי בתהליך שזירה קוואנטית

בפוסט הקודם ("סופו של הזמן?"), דנו בשאלה "האם הזמן הוא אשליה בלבד ומה שקיים במציאות הוא אוסף רגעים קפואים ללא שינוי וללא תנועה?". הבנו שהפיזיקה הנוכחית, הן מצד תורת היחסות והן מצד מכניקת הקוואנטים, רומזת לנו שייתכן מאוד שמה שאנו חווים כמשך הזמן, הוא אשליה. גם הניסיון לשלב את תורת היחסות ומכניקת הקוואנטים, הוביל למשוואת ווילר-דה ויט המתארת עולם נטול זמן.

מסקנה זו היא כמובן נתונה לביקורת רבה וניסיונות רבים להכניס את מרכיב הזמן לתיאור הכולל של היקום, אולם, כרגע ללא הצלחה. אחד התומכים הגדולים בקיומו של זמן ונחיצותו בתיאור הפיזיקלי הוא לי סמולין (Lee Smolin) מהפיזיקאים התאורטיקנים המפורסמים בעולם, פרסם בשנת 2014 ספר בשם "Time Reborn" ובו הוא טוען שהבעיה היא שאנחנו עושים "פיזיקה בקופסא", כלומר, מנסים להחיל מסקנות מניסויים על מערכות קטנות וסגורות על היקום כולו. מהלך של החלת מסקנה מתוך קופסא על היקום כולו הוא מהלך לא תקף מדעית ולוגית ולכן אנו נתקלים בפרדוקסים ובחוסר עקביות בנוגע למושג הזמן.

אולם, כרגע כל החצים מובילים לכך שיש בעיה עם מושג הזמן. כבר ב- 1983 בהמשך לדיון על משוואת ווילר-דה וויט, הציעו דון פייג' וויליאם ווטרס (Don Page and William Wootters) ששזירה קוואנטית יכולה לתת פתרון לבעיית הזמן העולה ממשוואה ווילר – דה וויט. הם הוכיחו מתמטית, שאם שוזרים קוואנטית שעון ליקום כולו, עבור צופה אשר מהווה חלק מהיקום, יראה השעון כמתקתק ומתקדם בזמן, אולם, תאורטית, עבור צופה הנמצא מחוץ ליקום, יראה השעון כעומד מלכת. במילים אחרות, עבורנו, כצופים בתוך היקום השזור, נראה העולם והשינוי בו, כתקתוק שעון המעיד על התקדמות הזמן, אולם, עבור צופה תאורטי, חיצוני ליקום שלנו, יראה העולם כאוסף רגעים קפואים בזמן.

הערת אגב: בהחלט ניתן לחבר את האמירות הללו לעולם התיאולוגי ולמצוא את אלוהים בתפקיד הצופה החיצוני (אמירות בסגנון הזה ניתן למצוא מתיאולוגים נוצריים רבים שטענו שאלוהים רואה את העולם כאוסף רגעים אינסופי וסטטי ולא חווה את העולם כמונו, כמתקדם מרגע לרגע), אולם, צריך לזכור שזהו צופה תיאורטי ותפקיד "הצופה החיצוני ליקום", לא חייב להיות מאוייש על ידי מישהו כלשהו.

הבעיה שההוכחה של פייג' וווטרס הייתה מתמטית בלבד והתבססה על משוואת ווילר-דה וויט, שכבר הייתה ידועה קודם לכן.

בשנת 2013, הצליחו סוף סוף צוות פיזיקאים מטורינו, איטליה[iv] להראות ששעון פנימי המוצמד למערכת קוואנטית שזורה (של שני פוטונים בלבד), יתקתק ויעיד על התקדמות והתפתחות של המערכת, בזמן שעבור צופה חיצוני, המערכת תראה כסטטית, ללא שום שינוי. אמנם, מדובר ביישום ראשון להשערה של פייג' וווטרס, שאינו מיושם על היקום כולו (מכיוון שלעולם לא נוכל להציב צופה מחוץ ליקום), אולם, זו בהחלט אמירה מעניינת אשר יוצאת מהתחום המתמטי אל העולם היישומי ומעוררת צורך בחשיבה נוספת בכיוון (על כך בפוסטים הבאים).

במילים פשוטות, ניסוי זה מחזק את ההשערה, כי הזמן הוא אמרגנטי בלבד, הוא מתהווה בצורה כלשהי בתוך המערכת המורכבת שנקראת היקום ואינו קיים עבור צופה חיצוני ליקום. האמרגנטיות של הזמן מתקיימת עבור צופה פנימי בלבד ביקום (כמונו) ואם נסתכל על היקום מבחוץ נראה, בעצם, שהיקום הוא אוסף קונפיגורציות קפואות בזמן.

אם כך, תארתי להלן, שתי התפתחויות בחשיבה הפיזיקאלית, התאורטית והמעשית, בשני נושאים:

1. הבנה של מבנה המרחב-זמן והקשר שלו למושג השזירה הקוואנטית.

2. הבנה של "בעיית הזמן" וחיזוק הטענה כי הזמן הוא אמרגנטי עבורנו, הצופים הנמצאים בתוך היקום. אולם, במבט חיצוני על היקום, מדובר בעולם נטול זמן.

מי שעקב אחרי התפתחות הסיפור בפוסטים הקודמים שלי, כבר יכול להתחיל לנחש את סופו של הסיפור. בפוסטים הבאים אני אחבר את כל מה שתארתי עד עכשיו ואנסה לתת תיאור כולל, המסביר כיצד העולם שלנו מתנהל ברמה הבסיסית ביותר.

[i] Mark Van Raamsdonk, "Building up spacetime with quantum entanglement", http://arxiv.org/abs/1005.3035

[ii] Juan Maldacena, "Entanglement and the Geometry of Spacetime", https://www.ias.edu/about/publications/ias-letter/articles/2013-fall/maldacena-entanglement

[iii] Leonard Susskind, "ER=EPR, GHZ, and the Consistency of Quantum measurements", http://arxiv.org/abs/1412.8483

[iv] Marco Genovese, "Time from quantum entanglement: an experimental illustration", http://arxiv.org/abs/1310.4691

http://www.newscientist.com/article/dn24473-entangled-toy-universe-shows-time-may-be-an-illusion.html#.VPHOkvmUcWI


10 צפיות

Created by BestSite