בניסוי עם 24 אלף אטומים, הזמן צמח בלי שעון

מה קורה?

מחקר חדש של פיזיקאים מאוניברסיטת ברמינגהם מציג ניסוי חריג בשאפתנותו: ניסיון לבדוק במעבדה אם "זמן" הוא תכונה בסיסית של הטבע, או תוצאה של שינוי בתוך מערכת פיזיקלית. פרופ' ג'ובאני ברונטיני וצוותו בנו מערכת קוונטית סגורה המבוססת על 24 אלף אטומים מקוררים לטמפרטורה של מיליארדיות המעלה מעל האפס המוחלט, והראו שאפשר לשחזר בה את רצף האירועים בלי להסתמך על שעון חיצוני.

העבודה פורסמה בכתב העת Physical Review Research, והיא נוגעת באחת הבעיות העמוקות בפיזיקה המודרנית: איך מגדירים זמן בתיאוריות שבהן ליקום כולו אין "שעון" חיצוני. במקום לחשוב על זמן כעל רקע קבוע שעליו הכול מתרחש, החוקרים בחנו אפשרות אחרת — שהזמן נובע מן השינויים שמתרחשים בין חלקים שונים של אותה מערכת.

למה זה קורה?

הרקע התיאורטי למחקר מגיע מכמה כיוונים בפיזיקה של היסוד, ובעיקר מניסיונות לחבר בין מכניקת הקוונטים לכבידה. בתיאורים מסוימים של כבידה קוונטית, ובהם גם משוואת וילר-דה-ויט, היקום מתואר כמצב קוונטי כולל שאין לצדו שעון חיצוני שמתקתק. אם זו אכן התמונה הנכונה, צריך להסביר כיצד בחיי היומיום אנחנו חווים בכל זאת זרימה ברורה מן העבר אל העתיד.

לדברי ברונטיני, זו בדיוק השאלה שהניסוי ניסה לבחון. בראיון שצורף למחקר הוא הסביר כי בחלק מהתיאוריות הזמן אינו מופיע כתכונה מובנית של היקום, אף שבמציאות המוכרת לנו הוא נתפס כזורם בכיוון ברור. לדבריו, הניסוי מספק ראיה ניסויית מבוקרת לכך שאפשר להגדיר זמן מתוך שינויים פנימיים במערכת, ולא רק באמצעות "שעון מתקתק" שממוקם מחוץ לה.

כדי לעשות זאת, החוקרים יצרו שני אזורים בתוך ענן האטומים באמצעות מחסום דק שנבנה משתי קרני לייזר בתדרים שונים. אזור אחד הוגדר כאזור נצפה, והשני כאזור שאינו נצפה. בתוך המערכת הזאת התרחשו שוב ושוב תהליכי התפשטות והתכווצות, מעין גרסה מופשטת מאוד של יקום שמתרחב ואז קורס. מכיוון שהמערכת הייתה מבודדת, אפשר היה לעקוב אחר הרצף הפנימי שלה בלי להישען על מדידת זמן חיצונית.

מה ההיסטוריה?

השאלה אם הזמן הוא יסוד טבעי או תופעה emergent, כלומר תופעה שצומחת ממשהו עמוק יותר, מלווה את הפיזיקה כבר עשרות שנים. במכניקה הקלאסית הזמן נחשב פרמטר ברור ופשוט: הוא מתקדם באופן אחיד ואינו תלוי במערכת הנמדדת. גם בתורת היחסות של איינשטיין הזמן נעשה גמיש יותר ותלוי בצופה ובכבידה, אבל עדיין נשאר חלק מהמבנה של המרחב-זמן.

הקושי האמיתי מתחיל כשמנסים לחבר את תורת היחסות למכניקת הקוונטים. בתיאורים מסוימים של היקום כולו אין משתנה זמן חיצוני מוגדר היטב, ולכן עולה "בעיית הזמן" המפורסמת: אם אין שעון יסודי, איך יודעים מה בא לפני מה. במשך שנים הדיון הזה התנהל בעיקר במישור המתמטי והתיאורטי. החידוש במחקר הנוכחי הוא הניסיון להפוך את הוויכוח לניסוי מדיד ומבוקר.

אחד הממצאים המרכזיים בעבודה הוא שהזמן במערכת הופיע מתוך שינוי באנטרופיה — מידת הפיזור או אי-הסדר של החלקיקים בין שני האזורים. כאשר התפלגות האטומים באזור הנצפה השתנתה, היה אפשר להגדיר התקדמות בזמן. כאשר השינוי נעצר, גם "הזמן" במובן הזה חדל למעשה להתקדם. ברונטיני מכנה זאת "זמן אנטרופי".

מה המשמעות?

אם התוצאה הזאת תחזיק מעמד גם בניסויים נוספים, יש לה כמה השלכות חשובות. ראשית, היא מצביעה על דרך חדשה לחשוב על חץ הזמן — כלומר, למה הזמן נחווה כבעל כיוון אחד ברור אף שחוקי היסוד של הפיזיקה נראים לעיתים דומים גם קדימה וגם אחורה. לפי המחקר, הכיוון הזה יכול לנבוע מהאופן שבו אנטרופיה משתנה בתוך המערכת.

שנית, החוקרים מדווחים שאפשר לנסח גם גרסה של משוואת שרדינגר באמצעות אותו זמן אנטרופי. במילים אחרות, לא רק שאפשר לסדר אירועים לפי שינוי פנימי, אלא גם לשמר יכולת חיזוי על האופן שבו המצב הקוונטי מתפתח. זהו פרט חשוב, משום שכל תיאור חלופי של זמן חייב לא רק להיות פילוסופי או רעיוני, אלא גם לעבוד ככלי חישובי.

ברמה הרחבה יותר, המערכת שבנו בברמינגהם עשויה לשמש פלטפורמה ניסויית למחקרים שבעבר נחשבו כמעט בלתי נגישים למעבדה: רעיונות על היקום המוקדם, מודלים של מפץ גדול והתכווצות קוסמית, ואפילו סימולציות של מצבים הקשורים לחורים שחורים. הניסוי לא מוכיח כיצד פועל היקום כולו, אך הוא כן מספק מסגרת שבה אפשר לבדוק במעבדה שאלות שבדרך כלל נשארות בתחום המשוואות בלבד.

במובן הזה, הישג המחקר אינו רק בטענה שזמן יכול להופיע בלי שעון, אלא גם בהעברת דיון מופשט מאוד מן הלוח והנייר אל המכשור הניסויי. עבור פיזיקאים שעוסקים בקוסמולוגיה קוונטית, זהו צעד משמעותי בדרך לבדיקת רעיונות על מבנה הזמן בתנאים מבוקרים.