הודעת פתיחה


ברוכים הבאים לבלוג שלי,

מטרתו של בלוג זה היא לשתף אתכם בתובנות שרכשתי במהלך החיים בתחומים שונים. תובנות בנושא החיים שיפורם ושיפורו של העולם.
רוב המאמרים כתובים במבנה של תהליך לוגי. כלומר תהליך בו כל שלב מוביל לשלב הבא, ובצורה זו הוא מוביל את הקורא להבין את אותה התובנה שגיליתי.
אציין מראש שרכישת התובנות המוכלות במאמרים דורשת קריאה סבלנית וחשיבה רבה.
חלק מהמאמרים יופיעו בספר שאני מתכוון לכתוב בעתיד, לכן אשמח לקבל מכם שאלות והערות בונות שיסייעו לי לשפר את המאמרים, להפוך אותם לקריאים ומובנים יותר וכמובן, אם לדעתכם טעיתי במשהו, אשמח לשמוע.

אני מאחל לכם קריאה מהנה, מעניינת ומרחיבת אופקים...

יום שישי, 16 ביולי 2021

טבעו של הזמן - הרחבה

 טבעו של הזמן - הרחבה

זמן מנקודת מבטה של הפיסיקה



במאמר "טבעו של הזמן" הראיתי שניתן להסביר את כל תופעות הזמן המוכרות לנו מחיי היום יום מתופעות אחרות המוכרות לנו, מבלי הצורך להמציא ישות עצמאית בשם זמן. כעת נשאלת השאלה ניתן ליישב תפישה זו גם עם הפיסיקה? כלומר האם ניתן להסביר את התוצאות שחוזה הפיסיקה בקשר לזמן ללא זמן עצמאי.

חשוב לי לציין, שלמרות שיש לי רקע בפיסיקה ויכולת די טובה להבין לעומק את מה שאני לומד, הרקע שלי אינו נרחב דיו על מנת שאוכל להגיד בוודאות שניתן ליישב את מסקנות הפיסיקה ללא קיומה של ישות זמן.
כלומר הדברים המופיעים במאמר מבוססים על ההבנה הנוכחית שלי את הפיסיקה, ואעדכן אותם בעתיד בהתאם להבנות חדשות שיהיו לי.

בו זמנית חשוב לי לציין שנתקלתי בפיסיקאים (גם אם הם במיעוט) המחזיקים בדעה שהזמן איננה ישות עצמאית.
למשל בראיון עם הפיסיקאי Anthoni Agguire הוא טען שמבחינת תורת הקוונטים, במיוחד בהקשר של גרוויטציה קוונטית (שלמיטב ידיעתי זו עדיין בגדר תיאוריה) הזמן יכול לעבור רק אם מתרחשים אירועים.
כמו כן הפיסיקאי Stephen Wolfram טוען שהוא הצליח ליצור מודל ממוחשב פשוט המבוסס על cellular automata (בדומה למודל הפיקסלים שהצגתי במאמר) ממנו הוא מצליח להפיק את רוב חוקי הפיסיקה הידועים לנו, כולל את תורת היחסות ומכאניקת הקוונטים. במודל שלו ההתקדמות בזמן היא "תהליך חישובי", או במילים של המודל שהצגתי "המצב הבא של המערכת".

חץ הזמן ואנטרופיה

אחד ההסברים לשאלה "מדוע הזמן נע מהעבר לעתיד", הוסבר באמצעות תופעת האנטרופיה.
החוק השני של התרמודינמיקה קובע שהאנטרופיה תמיד עולה ולכן עלית האנטרופיה עם הזמן נמצאת בהתאמה לכיוון תנועת הזמן.
אחת ההצעות שהוצעו על ידי פיסיקאים אחדים היא שהאנטרופיה עצמה היא זו שנותנת את הכיוון לזמן.
כלומר הזמן מתקדם כי האנטרופיה עולה.
מבלי להכנס יותר מידי לעומק להסבר על תופעת האנטרופיה (שיש אגב הרבה בלבול לגביה), אציין שתי סיבות מדוע גדילת האנטרופיה אינה יכולה להיות חץ הזמן כשלעצמו:


  1. גדילת האנטרופיה הינה תופעה המתקיימת רק כשלוקחים בחשבון מערכת סגורה. זאת אומרת שהאנטרופיה גדלה רק אם מודדים אותה בכל היקום.
    היות ואנחנו מסתכלים על המציאות מנקודת מבט מקומית אנחנו מסתכלים כל הזמן על מערכות בהן האנטרופיה גם עולה וגם יורדת.
    למשל כאשר המזגן לוקח אויר חם ומקרר אותו אותו, אנחנו מסתכלים במערכת בה האנטרופיה יורדת. איננו מודעים לכך שבתחנת הכח המספקת את החשמל למזגן מתרחש תהליך הפוך הגורם לאנטרופיה שם לעלות אפילו יותר.
    למרות שאנו מסתכלים על המזגן מוריד את האנטרופיה, איננו מסיקים לרגע שהמזגן נע אחורה בזמן.


  1. חשוב להבין שאנטרופיה הינה תופעה סטטיסטית. כלומר עליית האנטרופיה במערכת סגורה היא תוצאה בעלת סיכויי סטטיסטי מאוד גבוה, אך לא מוחלט. קיים סיכוי סטטיסטי קטן מאוד שהאנטרופיה תקטן.
    לשם כך ניתן לדמיין מיכל שבצד אחד מכניסים לו חלקיקי גז חם (אדום), ובצד שני חלקיקי גז קר (כחול). זה יהיה מצב של אנטרופיה נמוכה.

    ככל שהזמן יעבור, ויתחשו יותר ויותר התנגשויות אקראיות בין החלקיקים תהיה סבירות גבוהה שנמצא אותם מעורבבים במרחב, ושהמהירויות של החלקיקים יהפכו ליותר אחידות. זוהי עליית האנטרופיה. אבל קיים סיכוי סטטיסטי, אפילו אם הוא קטן מאוד, שהתנגשויות אקראיות יובילו חזרה למצב ההתחלתי. הירידה המתוארת באנטרופיה אינה גורמת לזמן לחזור אחורה. למעשה החישוב המראה את היווצרותה עדיין מתבסס על תנועת החלקיקים קדימה בזמן. יתרה מכך, בנקודה זו, חזרה אחורה בזמן תגדיל את האנטרופיה במקום להקטין אותה. זה נכון שהמצב המתואר הוא בעל סיכוי סטטיסטי מאוד קטן, וזה בגלל שמדובר בהקטנה משמעותית של האנטרופיה. אך ירידה קטנה באנטרופיה הכללית של מערכת למשך זמן קצר היא דבר שיש לו סיכוי הרבה יותר גבוה, ומתרחש תדירות. תארו לעצמכם מיכל בו מפוזרים חלקיקים באופן אקראי אך אחיד, שכולם נעים במהירות זהה. זוהי דוגמא למקסימום אנטרופיה. כעת, קיים סיכוי סטטיסטי מאוד גבוה שלזמן קצר ימצאו בצד אחד של המיכל יותר מהחלקיקים הללו מאשר בצד שני של המיכל. זה אומר שלזמן קצר האנטרופיה ירדה מעט. 

לסיכום אנטרופיה איננה תופעה יסודית. עלייתה וירידתה הן פונקציה של הסתברות סטטיסטית. יש קואורלציה מאוד חזקה בין כיוון הזמן לבין גדילת האנטרופיה, אך היא איננה מוחלטת, ולכן האנטרופיה איננה הגורם הקובע את כיוון התנועה בזמן.

כזכור, במאמר שלי, הכיוון של התנועה ב"זמן" היא הסיבתיות. אנחנו נעים מסיבה לתוצאה ולא ההיפך.

יחסות פרטית

תורת היחסות הפרטית מפיקה מספר מסקנות חדשות ביחס לזמן, אותן לא ניתן להסיק מההתנסות היומיומית שיש לנו עם הזמן.


האטת זמן


המסקנה הראשונה היא שקצב זרימת הזמן איננו קבוע והוא משתנה בהתאם למהירות היחסית בה אנחנו נעים. ברצוני להסביר כיצד ניתן להסביר האטת זמן במודל שהצגתי בו הזמן איננו קיים כישות עצמאית.

ראשית חשוב להבין שאיינשטיין איננו מדבר על מושג הזמן באופן כללי,ומסביר שמבחינתו המשמעות האמיתית היחידה שניתן להתייחס לזמן היא המיקום של המחוגים בשעון.

ציטוט:

"אם אנו רוצים לתאר את התנועה של נקודה חומרית, אז אנו נותנים את ערכי הקואורדינטות שלה כפונקציה של הזמן. עתה עלינו לזכור בזהירות שהצגה מתמטית מסוג זה היא חסרת משמעות פיסיקלית, כל עוד לא הבהרנו לגמרי מה אנו מבינים במונח "זמן". עלינו לקחת בחשבון שכל הפסיקות שלנו שבהם הזמן משחק תפקיד הם שיפוטים של מאורעות סימולטניים. אם לדוגמא אני אומר ש"הרכבת מגיעה לפה בשעה 7", אז אני מתכוון למשהו כזה: "הצבעת המחוג הקטן שבשעון שלי על 7 והגעתה של הרכבת הם מאורעות סימולטניים".

ייתכן וניתן להתגבר על כל הקשיים הנוגעים להגדרת ה-"זמן" על ידי החלפתו ב"מיקום של המחוג הקטן בשעון שלי".


במילים אחרות, יהיה יותר מדויק לומר שבתורת היחסות לא מדובר על "האטת זמן" אלא על "האטת שעונים".
מנקודה זו נוכל אחר כך לדון אילו ישויות פיסיקליות נחשבות לשעון ואילו לא.

כאמור במודל שהצגתי זרימת הזמן היא תוצאה של מספר האינטראקציות במערכת במהלך תופעה מחזורית אחרת המשמשת עבורנו כשעון.


לצורך הדוגמא בוא ניקח שעון חול. נרוקן אותו מחול ונמלא אותו בשמן. נמדוד באמצעות תופעה מחזורית כלשהי (לצורך העניין שעון מחוגים) כמה מחזורים לוקח לשמן לעבור מהמיכל העליון למיכל התחתון.
לאחר מכן נבצע שוב את אותה המדידה אבל נשים את שעון השמן בקירור.
נגלה שבטפרטורות נמוכות, מספר המחזורים שעברו עד שהשמן נזל למיכל התחתון, היה גדול יותר.
במילים אחרות שעון השמן הואט.
הסיבה להאטה של שעון השמן היא האטה במהירות החלקיקים של השמן ובכמות האינטראקציות בינהן המובילות להיותו פחות צמיג.
אותה התופעה בדיוק מתרחשת כאשר אנו שמים אוכל במקרר. הסיבה שהוא מחזיק מעמד יותר זמן היא כי אנו מאיטים את מספר האינטראקציות של החלקיקים המרכיבים את החיידקים הנמצאים בו, ולכן הזמן שלוקח להם להתרבות איטי יותר.
באותה האופן, יצורים בעלי דם קר מזקדנים מהר יותר במזג אויר חם. היות וקצב חילוף החומרים בגוף שלהם תלוי לחלוטין בטמפרטורה החיצונית.


אך בתורת היחסות האטת השעונים מיוחסת לתנועה. לכן נשאלת השאלה האם אנחנו יכולים להסביר האטה של חלקיקים באמצעות תנועה?

והתשובה היא שכן.
את ההסבר המלא ניתן למצוא בצורה יפה מאוד בסרטון זה.

בקצרה אומר שעל פי ההסבר חלקיקי האור הנמצאים באינטראקציה בין האטומים המרכיבים גופים הנמצאים בתנועה צריכים לעבור מרחקים גדולים יותר מנקודת מבטו של צופה נייח. היות ומהירות האור קבועה, הזמן שלוקח להם לנוע מנקודה אחת לשניה בתוך הגוף הולך וגדל ככל שמהירותו של הגוף גדלה. מסיבה זו שעונים, וכל גוף אחר אשר מבוסס על אינטראקציות של אור יאט עבור הצופה הנייח. נקודה מעניינת לגבי האטה חלקיקית, היא שבתנאים מסוימית היא עשויה דווקא להאיץ תהליכים מסוימים. למשל מעבד של מחשב יעבוד מהר יותר בטמפרטורה נמוכה, כיוון שההתנגדות להולכה החשמלית יורדת עם הטמפרטורה. לעצבים לעומת זאת מהירות ההולכה יורדת מתחת לרמת טמפרטורה מסוימת, ככל הנראה כיוון שמעבר האותות דרך הסינפסות כרוך בתנועה של יונים.


בו זמניות (סימולטניות)

תורת היחסות  מתארת לנו שני מקרים בהם מאורע המתרחש בו זמנית מנקודת מבטו של צופה אחד איננו מתרחש בו זמנית מנקודת מבטו של צופה אחר. אקרא להם לצורך העניין עקרון הסימולטניות החלש ועקרון הסימולטניות החזק.

עקרון הסימולטניות החלש אומר ששני מאורעות המתרחשים בו זמנית מבחינת צופה אחד, עשויים לא להראות בו זמניים מבחינת צופה אחר, בגלל שהצופה האחר קרוב יותר למיקומו של מאורע אחד מאשר למיקומו של המאורע השני. אם שני ברקים מכים באדמה בו זמנית, והצופה עומד קרוב יותר לברק אחד מאשר לשני, האור מברק אחד יגיע אליו מהר יותר מהברק השני. לכן מבחינתו הוא יראה שהברק הקרוב התרחש לפני הברק הרחוק.

את עקרון הסימולטניות החלש אין בעיה לשלב במודל התאי (פיקסלי) שהצגתי. אם נציב במערכת התאית גוף הנמצא בין שני נקודות הפולטות אור, במרחק לא שווה מהן, האור מנקודה אחת יגיע אליו לפני האור מהנקודה השניה, וכך הוא יסיק שהאחד התרחש לפני השני.


עקרון הסימולטניות החזק טוען שצופים מסוימים יראו מאורע אחד לפני המאורע השני, למרות שהם נמצאים במרחק זהה משני המאורעות. המסקנה של עקרון זה הוא שאין משמעות אבסולוטית לזמן בו התרחש מאורע.
אין יכולת לומר אם ברק אחד התרחש לפני הברק השני. אין אפשרות להגיד האם משה רבינו נולד לפני ג'ינג'יס חאן או להיפך, ובתנאי ששני אלו נולדו מספיק רחוק אחד מהשני (כמה אלפי שנות אור) ושהקיום של שניהם הוא לחלוטין בלתי תלוי אחד בשני.

מסקנה זו, למיטב הבנתי, נמצאת בסתירה עם המודל שהצגתי, היות והמודל שהצגתי הוא מודל המבוסס על "הווה מוחלט". כלומר אנו יכולים לומר בבטחה האם שני ברקים התקיימו יחד בהווה (מצב יחיד של המערכת) או שכל אחד התקיים במצב אחר של המערכת.

עם זאת חשוב לי לציין שכשבחנתי את הפיתוח של עקרון הסימולטניות על ידי איינשטיין מצאתי שם סתירה לוגית שטרם הצלחתי ליישב. למרות שהצגתי אותה לכמה וכמה פיסיקאים, טרם קיבלתי מהם תשובה שהצליחה לפתור את הסתירה הזו. למעשה הסתירה נפתרת באופן מאוד אלגנטי אם מניחים את קיומו של המרחב כמערכת יחוס מוחלטת עבור האור (בדומה למערכת התאית שהצגתי), אבל אינני יודע אם רעיון זה מתאר יותר טוב את המציאות, או שהוא סותר חוקי פיסיקה אחרים.
בכל מקרה, גם הסתירה הנוכחית וגם הפתרון שמצאתי לה מצביעים על כך שעקרון הסימולטניות החזק הוא שגוי ושקיימת סימולטניות מוחלטת.
אני אמשיך לחקור את הנושא ואעדכן את הטקסט ברגע שתהיה לי מסקנה לכאן או לשם.



יחסות כללית


תורת היחסות הכללית גם היא מפיקה מספר מסקנות חדשות ביחס לזמן (כלומר ביחס לשעונים).


האטת זמן בשדה כבידה / תאוצה

על פי תורת היחסות הכללית שעונים מאיטים גם בתאוצה או בנוכחות שדה כבידה.
ניתן להסביר האטת שעונים בתאוצה על ידי הסבר דומה להסבר של האטת שעונים במהירות גבוהה.
למעשה הסבר כזה מופיע באותו הסרטון שהוצג מעלה. קישור לחלק בסרטון המציג את ההסבר

כך שניתן להסביר האטת זמן באופן זה במודל התאי שהצגתי.

על פי היחסות הכללית גוף בשדה כבידה חווה תאוצה גם אם מהירותו אינה משתנה.
כך שיתכן שניתן להסביר את האטת הזמן באותו האופן גם במודל התאי.


זמן-מרחב

היחסות הכללית רואה את הזמן והמרחב כישויות בלתי נפרדות אחת מהשנייה הנקראת זמן-מרחב.

כאמור תפישה זו איננה תואמת את המודל התאי שהצגתי, כיוון שבמודל זה המרחב הוא ממשי בעוד הזמן הוא תוצאה של התנועה במרחב.
עם זאת, כפי שאני מבין זאת כיום, מודל הזמן-מרחב (הידוע בשם מרחב מינקובסקי), הוא מודל מתמטי נוח לחישוב, אך ההסקה ממנו שהזמן והמרחב הינם ישות בלתי נפרדת איננה מתחייבת. למעשה, בקישור שהצגתי קודם, בו מסביר הפיסיקאי Stephen Wolfram את תופעת הזמן על פי המודל שהוא הציג, הוא מראה כיצד יחסות פרטית וכללית יכולה להתקיים גם כאשר אנו רואים את המרחב כדבר היחיד הקיים, ואת ההתקדמות בזמן מצבים שונים במערכת של המרחב.


ממשותם של העבר והעתיד

השילוב של הזמן-מרחב עם עקרון הסימולטניות החזק (שנכון לכרגע כאמור יש לי ספקות לגבי נכונותו), מחזק את ההשערה שלעבר ולעתיד יש קיום ממשי, כיוון שעל ידי שינוי כיוון התנועה ניתן לכאורה לראות מאורעות שהתרחשו מאוחר יותר, לפני מאורעות שהתרחשו מוקדם יותר. הסבר זה ניתן לראות ויזואלית על ידי מה שמכונה חיתוכי זמן-מרחב.

על פי המודל התאי, לעבר ולעתיד אין קיום ממשי ולכן הוא נמצא בסתירה לתפישת היחסות הכללית. עם זאת, במידה ואכן עקרון הסימולטניות החזק שגוי, אז חיתוכי הזמן-מרחב מייצגים רק את עקרון הסימולטניות החלש, ובמקרה זה אין סתירה עם המודל התאי, כיוון שהשינוי בסדר המאורעות משתנה רק בשל הבדלי המרחק בהם האור מהמאורעות הגיע אל הצופה.



תורת הקוונטים


בתורת הקוונטים אנו גם צופים בתופעות הנראות לכאורה קשורות לזמן.
בניסויים כגון מחיקה קוונטית, בחירה מושהה ועוד ניתן לראות תופעות משונות שלכאורה סותרות לא רק את כיוון התנועה בזמן אלא גם את הסיבתיות.
למשל אחת התוצאות נראית כמו השפעה של העתיד על העבר.

מבחינתי ההבנה הנוכחית שלי בתורת הקוונטים כל כך מועטת כך שאינני רואה עצמי יכול אפילו להביע דעה או לפרש את הממצאים הללו.
אבל חשוב לי לומר שבאופן כללי אין לי שום התנגדות לאפשרות שקיימת ישות "זמן" מסדר גודל שני, בנוסף לתופעת הזמן הנוצרת בשל תנועה במרחב, אשר יכולה להסביר חלק מהתכונות הקשורות לתופעת הזמן שאינן מוסברות על ידי המודל חסר הזמן. ישות שכזו אינה סותרת את תקפותו של ההסבר שהצגתי לזמן עבור רוב התופעות המוכרות לנו ביום-יום.

אין תגובות:

הוסף רשומת תגובה

אשמח לענות לשאלות ענייניות לגבי הדברים שכתבתי, וכן מאוד אשמח לקבל נקודות מבט בונות והערות עליהם, על מנת שאוכל להרחיב את נקודות המבט שלי.