הזמן נולד מחדש: כיצד ניסוי ישראלי-בריטי הוכיח שהיקום אינו צריך שעון חיצוני

פרופסור ג'ובאני ברונטיני וצוותו מאוניברסיטת ברמינגהאם בנו 'מיני-יקום' שולחני המציע מענה מפתיע לאחת השאלות העמוקות ביותר בפיזיקה: מהו זמן? על ידי קירור של כ-24,000 אטומי רובידיום-87 לטמפרטורה של מיליארדיות המעלה בלבד מעל האפס המוחלט, יצירת עיבוי בוז-איינשטיין, ופיצול הענן באמצעות מחסום לייזר דק, יצרו החוקרים מערכת קוונטית סגורה בעלת שני סקטורים – סקטור 'מואר' (הנצפה) וסקטור 'אפל' (חבוי). הניסוי, שפורסם בכתב העת Physical Review Research, מספק את ההוכחה הניסויית המבוקרת הראשונה לכך שחץ זמן עקבי יכול לצוץ מתוך מערכת מבודדת לחלוטין, כשהוא מבוסס כולו על חילופי אנטרופיה בין חלקיה, ללא כל שעון חיצוני.

מערך הניסוי: קוסמוס קוונטי הרמטי

הניסוי מתמודד עם חידה תיאורטית רבת-שנים בתחום הכבידה הקוונטית הידועה בשם "בעיית הזמן". במסגרת תיאוריית וילר-דה-וויט – גישה קנונית לאיחוד מכניקת הקוונטים ותורת היחסות הכללית – היקום כולו מתואר על ידי משוואה שאינה תלויה בזמן. הדבר מרמז שלקוסמוס אין שעון חיצוני מובנה. על פי הלך מחשבה זה, אם הזמן אכן ממשי, הוא חייב לצוץ באופן יחסי מתוך המערכת עצמה. הצוות של ברונטיני שם לו למטרה לבחון רעיון זה פיזיקלית.

הם יצרו עיבוי בוז-איינשטיין – מצב צבירה שבו אטומים קרים במיוחד פועלים כאובייקט קוונטי קוהרנטי יחיד – והחזיקו אותו במלכודת שמרנית שאינה תלויה בזמן. לאחר מכן, קיר לייזר אופטי מכוון בקפידה חילק את הענן לסקטור 'מואר' שנצפה, וסקטור 'אפל' שלא נצפה, כאשר האטומים יכולים לבצע מנהור קוונטי או לעבור דרך המחסום ביניהם. באופן מכריע, האנטרופיה המדויקת (fine-grained entropy) של המערכת הגלובלית נותרת קבועה, תכונה מגדירה של מערכת סגורה ומבודדת. לכן, כל שינוי באנטרופיה הגסה (coarse-grained entropy) של הסקטור המואר חייב לנבוע מחילופי אנטרופיה עם הסקטור האפל החבוי.

צפייה בחץ הזמן

כשהמערכת הייתה אטומה ומחולקת, הצוות עקב אחר התפתחות הסקטור המואר וגילה סדרה מרשימה של אנלוגיות קוסמולוגיות.

מחזורי מפץ גדול וקריסה גדולה

הסקטור המואר התרחב ואז קרס שוב ושוב כשאטומים חצו את מחסום הלייזר, מחזור המדמה קפיצה קוסמולוגית (Cosmological Bounce). הרגע שבו אטומים החלו לאכלס לראשונה את הסקטור המואר פורש כ"מפץ גדול", בעוד שחזרתם המלאה לסקטור האפל סימנה "קריסה גדולה". מחזור קופץ זה חזר על עצמו פעמים רבות, ויצר היסטוריה קוסמית מיניאטורית וחוזרת בתוך המעבדה.

זמן אנטרופי כשעון פנימי

מתנודת האטומים הזו, הגדירו החוקרים "זמן אנטרופי". מכיוון שהאנטרופיה של המערכת הכוללת נשמרת, התנועה הכיוונית של אטומים בין הסקטורים יצרה זרימה חד-כיוונית ומדידה של אנטרופיה בסקטור המואר. זרימה זו שימשה כשעון פנימי אמין שהפגין מספר תכונות יוצאות דופן:

• חץ עקבי: הזמן האנטרופי זרם בכיוון אחד עקבי, ותזמן נכון אירועים על פני מספר מחזורי התרחבות-התכווצות.
• מהירות משתנה: השעון האיץ או האט בהתאם לקצב חילופי האנטרופיה בין הסקטורים.
• חיזוי מדויק: ברונטיני גזר משוואה אפקטיבית דמוית-שרדינגר המבוססת על זמן פנימי, אנטרופי זה – לא על זמן המעבדה הרגיל – והראה שהיא משחזרת במדויק את ההתפתחות הנמדדת של הסקטור המואר.

מות החום וקץ הזמן

כאשר התפלגות האטומים בין הסקטור המואר לסקטור האפל התייצבה לבסוף והפסיקה להשתנות, חילופי האנטרופיה פסקו. בנקודה זו, מנקודת המבט של הסקטור הנצפה, הזמן עצר למעשה – אנלוגיה ל'מות החום' החזוי עבור היקום שלנו.

מדוע זה חשוב להבנתנו את היקום?

הניסוי חשוב משום שהוא מעביר שאלה יסודית מתחום הספקולציה התיאורטית אל עבר הפיזיקה הניסויית. על ידי חלוקת מערכת קוונטית סגורה וצפייה בזמן הנובע מדינמיקת אנטרופיה בלבד, הצוות סיפק את זירת הניסוי המבוקרת הראשונה לבחינת מבני זמן יחסיים. ממצאיהם תומכים ברעיון שהזמן אינו רקע חיצוני ובסיסי, אלא תופעה תרמודינמית המתעוררת כאשר צופה מבחין בתת-מערכת – בדומה להבחנה בין הסקטור המואר לאפל – מתוך שלם על-זמני גדול יותר. יקום מיניאטורי שולחני זה מציע כעת חלון אמפירי חדש לחקר הפיזיקה של הקוסמוס האמיתי.