העבר נעלם, העתיד עדיין לא הגיע, ורק ההווה איתנו באותו הרגע. אך מדוע סדר האירועים הוא כך? מדוע תה שנשפך מחר לא משאיר כתם על השטיח אתמול?
כל רגע בו אנו נמצאים נושא אותנו מהעבר להווה, ולאחר מכן אל העתיד. הזמן תמיד זז לכיוון אחד. הוא אף פעם לא עוצר או נע אחורה. עבורנו, חץ הזמן תמיד מופנה קדימה. עם זאת, אם נסתכל על חוקי הפיזיקה - מהעמדות של ניוטון ועד איינשטיין, ממקסוול ועד בוהר, מדיראק ועד פיינמן - הם נראים סימטריים לזמן. במילים אחרות, למשוואות השולטות במציאות אין העדפה לכיוון הזמן. החלטות המתארות את התנהגותה של כל מערכת שמצייתת לחוקי הפיזיקה כפי שאנו מבינים אותן הן יעילות באותה מידה לזמן העבר לעבר ולזמן המכוון אל העתיד. אבל הניסיון אומר לנו שהזמן זז רק בכיוון אחד - קדימה. אז מהיכן מגיע חץ הזמן?
רבים מאמינים כי קיים קשר בין חץ הזמן לאנטרופיה. בעוד שרוב האנשים בדרך כלל משווים בין אנטרופיה ל"הפרעה ", זהו תיאור עצלן ולא לגמרי מדויק. במקום זאת, יש לחשוב על האנטרופיה כמדד לכמה פוטנציאל אנרגיית חום יכולה להפוך לעבודה מכנית שימושית. אם יש לך הרבה אנרגיה שיכולה לבצע את העבודה, זו מערכת עם אנטרופיה נמוכה, ואילו אם יש לך מעט אז למערכת שלך יש אנטרופיה גבוהה. החוק השני של התרמודינמיקה הוא מערכת יחסים חשובה בפיזיקה, הקובעת כי האנטרופיה של מערכת סגורה לא יכולה להשתנות או להגדיל עם הזמן, כלומר היא לא יכולה לרדת. במילים אחרות, עם הזמן האנטרופיה של היקום כולו אמורה לגדול. זהו חוק הפיזיקה היחיד שיש לו כיוון זמן מועדף.
אז האם זה אומר שאנו תופסים את הזמן כך בגלל החוק השני של התרמודינמיקה? האם זה קשור לקשר הבסיסי בין חץ הזמן לאנטרופיה? כמה פיסיקאים מאמינים שזה בדיוק המקרה. פרויקט לשנת 2016 בערוץ היוטיוב MinutePhysics ומחברם של מספר ספרי מדע פופולרי מאת הפיסיקאי שון קרול, ראיון שאיתו תוכלו לקרוא בגיליון 39 של Naked Science, ניסה לענות על השאלה מדוע הזמן לא זז אחורה. כתוצאה מכך הגיעו הפיסיקאים למסקנה כי הדבר נובע מאנטרופיה.
אנטרופיה אכן מסבירה את חץ הזמן במקרה של תופעות רבות, כולל מדוע תערובת של קפה וחלב אינה נפרדת, וביצה שבורה לעולם לא נאספת בחזרה לקליפתה. בכל המקרים הללו ודומים, המצב ההתחלתי של אנטרופיה נמוכה (עם יותר אנרגיה לעבודה) התקדם לעבר מצב של אנטרופיה גבוהה יותר (ופחות אנרגיה זמינה) לאורך זמן קדימה. ישנן דוגמאות רבות לתהליך זה בטבע, כולל חדר מלא במולקולות: צד אחד מלא במולקולות קרות ואיטיות, והשני מלא במערכות חמות ומהירות. אתה רק צריך לחכות, והחדר יתמלא בחלקיקים מעורבים של אנרגיה ממוצעת, המייצגת עלייה גדולה באנטרופיה ותגובה בלתי הפיכה.
אבל אי אפשר לומר שזה בלתי הפיך לחלוטין.אתה רואה, אנשים רבים שוכחים שכאשר מדובר בחוק השני של התרמודינמיקה והגידול באנטרופיה, זה מתייחס אך ורק למערכת סגורה או למערכת שאליה לא מוסיפים אנרגיה מבחוץ ואין לבצע שינויים להגדיל או להקטין. אנטרופיה. כבר בשנת 1870 הציע הפיזיקאי ג'יימס פלק מקסוול דרך להפוך את התגובה הזו: יש צורך בישות חיצונית שתפתח את ההפרדה בין שני צידי החדר, ותאפשר למולקולות ה"קור "לעבור לצד אחד ול"הוטה" האחד לשני. רעיון זה נקרא "השד של מקסוול", והוא מאפשר לך להוריד את האנטרופיה של המערכת.
כמובן שאי אפשר להפר את החוק השני של התרמודינמיקה בשיטה זו. העובדה היא שה"שד "צריך להשקיע כמויות עצומות של אנרגיה כדי להפריד חלקיקים בדרך זו. המערכת בהשפעת "השד" פתוחה. אם מוסיפים לה את האנטרופיה וה"שד "עצמו למערכת החלקיקים הכללית, מסתבר שבסופו של דבר האנטרופיה עולה. אבל כאן יש פרט חשוב: גם אם היית גר בקופסה ולא שמת לב לקיומו של "שד" - במילים אחרות, אם אתה חי ב"יקום כיס "עם אנטרופיה הולכת וגוברת - הזמן עדיין היה ממשיך אתה. החץ התרמודינמי של הזמן אינו קובע את הכיוון אליו אנו תופסים את חלוף הזמן.
אז מהיכן מגיע חץ הזמן, המתאם את תפיסת הזמן שלנו? לא ידוע. עם זאת, ידוע שזה בהחלט לא החץ התרמודינמי של הזמן. מדידות האנטרופיה של היקום מצביעות רק על ירידה אפשרית אחת בכל ההיסטוריה הקוסמית: סוף האינפלציה הקוסמית והמעבר שלה למפץ החם החם (אין להתבלבל עם המפץ הגדול - אלה שני מצבים שונים של היקום; המפץ הגדול החם הוא תקופת ההתפתחות של היקום, בשלבים האחרונים שבהם אנו חיים). רוב המדענים טוענים כי עתיד קר וריק מחכה ליקום לאחר שכוכביו נשרפים, חורים שחורים מתפרקים, ואנרגיה אפלה תפיץ גלקסיות כבידה לא קשורות למרחקים עצומים ובלתי נתפסים. מצב תרמודינמי זה של האנטרופיה המקסימלית ידוע כמוות החום של היקום. באופן מוזר, למצב שממנו התפתח היקום - מצב האינפלציה הקוסמית - יש אותן תכונות, אך עם קצב התפשטות גבוה יותר בתקופה האינפלציונית, בהשוואה לזה שיוביל לעידן הנוכחי, שבו האנרגיה האפלה שולטת.
איך נגמרה האינפלציה? כיצד הפכה אנרגיית הוואקום של היקום - הטמונה בחלל הריק עצמו - למרק חם של חלקיקים, חלקיקים וקרינה? והאם היקום עבר ממדינה עם אנטרופיה גבוהה להפליא במהלך האינפלציה הקוסמית למצב עם אנטרופיה נמוכה יותר בזמן המפץ החם, או שהאנטרופיה הייתה נמוכה עוד יותר במהלך האינפלציה בשל היכולת של היקום לבצע עבודות מכניות? לעת עתה, למדענים יש רק תיאוריות אשר - בתקווה - יובילו יום אחד לתשובות הנכונות לשאלות אלו. טרם התקבלו רמזים ניסיוניים או תצפיתיים שאולי היו רמזים.
אנו מבינים את חץ הזמן מבחינת התרמודינמיקה - וזוהי הבנה באמת בעלת ערך וחשובה מאוד. אבל אם אתה רוצה לדעת מדוע אתמול נשאר בעבר הבלתי משתנה שוב ושוב, מחר מגיע למחרת, וההווה הוא המקום בו אתה חי כרגע, אז התרמודינמיקה אינה יכולה לענות על שאלה זו. ועד כה, למעשה, אין מי שיכול.