מאמר מספר 47 – על הזמן המשך

מאמר מספר 47 – על הזמן המשך

מאת  עמי אור

זהו מאמר רביעי מתוך שישה

 מרחב – זמן - פיזיקה, מרחב - זמן או רצף מרחב - זמן, הוא המרחב הארבַּע-ממדי, שנהוג לייצגו על ידי מערכת של קואורדינטות מרחביות וקואורדינטת זמן, שכל נקודה בה מציינת אירוע המתרחש במקום ובזמן מסוימים. לעיתים נקרא גם מרחב מינקובסקי, על שם המתמטיקאי הרמן מינקובסקי, שהציע ב - 1907 את הרעיון והמודל המתמטי הראשון של מרחב - זמן.

המרחב - זמן, הוא אחד הביטויים הבולטים להבדל בין תפיסת המכניקה הקלאסית, הרואה בזמן ובמרחב ממדים נפרדים ובלתי תלויים, לבין התפיסה היחסותית, הרואה בזמן ובמרחב, ערכים או ישויות הקשורות זו בזו, ותלויות בתנועה היחסית של הצופה והאובייקט הנצפה, ובהשפעת שדות כבידה.

השימוש במודל המרחב - זמן, מאפשר את המעבר מהייצוג הסטטי והרגעי של אירועים, המאפיין את המרחב התלת ממדי, לייצוג משוכלל יותר, המעניק תיאור רציף ושלם של היקום המתפתח. מעבר לכך, הגאומטריה והמטריקה של המרחב - זמן, היוו כלי מרכזי להבנת, הפשטת והעברת רעיונות יסוד בתורת היחסות הפרטית והכללית, וכן לפיתוחם של הללו ושל תאוריות אחרות העוסקות ברמת המיקרו והמקרו של היקום. רעיון המרחב - זמן לא רק הצליח להמחיש את קביעותיה של תורת היחסות, ובייחוד את ההשקפה שמרחב וזמן הם שתי פנים של ישות אחת, אלא גם שינה את ההשקפה על היקום בהעניקו לזירת האירועים עצמה נוכחות. תפיסה זו עולה מן המחקרים המוקדמים של המרחב - זמן, אך ביתר שאת ממודל המרחב - זמן הכבידתי שהציגה תורת היחסות הכללית. תחת מרחב סטטי, שהוא המקום בו דברים נמצאים, נעשה מעבר לזירה דינמית יותר: מרחב - זמן המנחה את תנועת החומר והאנרגיה, ואשר לפי הקוסמולוגיה בת ימינו, נוצר במפץ הגדול.

במהלך המאה העשרים, עם השתרשות תורת היחסות, חדר המושג "מרחב – זמן" לתחומים שונים של הפיזיקה, ואף החל לשמש כשם כללי ל'עולם שלנו'.

באופן כללי המרחב - זמן הוא המרחב הארבע-ממדי, המהווה את זירת ההתרחשות של אירועים פיזיקליים. בדומה לתפיסת קו כאוסף כל הנקודות המאורגנות ברצף פורמלי מסוים ליצירתו, ניתן לראות במרחב - זמן כאוסף כל האירועים הפיזיקליים, ממשיים או אפשריים, המאורגן ליריעה אחת - מרחב שלם ורציף, שכל נקודה בו מציינת אירוע מרחב - זמני מסוים, ואשר ברמות מקומיות ניתן לתארו באמצעות מערכת קואורדינטות.

 המרחב - זמן עצמו אינו תלוי בנקודת המבט של הצופה, אך ייצוגו נתון לבחירתו. לכן, לשם ייצוג או חקירה של התרחשות פיזיקלית, נוכל לבחור במערכת הקואורדינטות המרחבית - זמנית הנוחה לנו, ואשר מייצגת את מערכת הייחוס הנוחה לנו.

הגאומטריה של המרחב - זמן משתנה בנוכחות מסה או כבידה, ותחת השפעת תאוצה, לכן, כדי להבין את מבנהו ותכונותיו של מרחב – זמן, פיתח איינשטיין את תורת היחסות הכללית. בתורת היחסות הפרטית, אין התייחסות לתאוצה או תאוטה אלא אך ורק למהירות קבועה. רכיבי המרחב - זמן של תורת היחסות הפרטית קבועים בכל מערכת ייחוס. אין זה מרחב אוקלידי, אך ציריו נותרים ישרים, ועל כן הוא מהווה מרחב שטוח, הומוגני ואיזוטרופי (כל הכיוונים בו שווי ערך). נהוג לכנות מרחב זה בשם מרחב פסאודו-אוקלידי או מרחב מינקובסקי. כדי להמחיש את תכונותיו של המרחב - זמן הארבע-ממדי נהוג להשתמש בתרשימים בהם צירי המרחב מיוצגים על ידי שני צירים או ציר יחיד. דיאגרמות מעין אלו שימשו את מינקובסקי במחקרו ומכונות דיאגרמות מינקובסקי או דיאגרמות מרחב-זמן.

 כאמור, חץ הזמן הוא מושג המסמל את העובדה שכמעט כל התהליכים בפיזיקה ברמה המיקרוסקופית הם סימטריים בזמן, כלומר שהמשוואות המשמשות לתאר אותם זהות, אם הופכים את כיוון הזמן, אלא שברמה המאקרוסקופית – יש כיוון אחד בלבד שבו הזמן זורם.

 החוק השני של התרמודינמיקה מגדיר את חץ הזמן התרמודינמי ככיוון של גדילת כמות האנטרופיה. חץ זה מצוי בתופעות לא-הפיכות מוכרות רבות, כמו העובדה שחפצים מגיעים לעצירה בשל חיכוך, והאנרגיה הקינטית המסודרת מאוד של התנועה שלהם נהפכת לאנרגיה קינטית רנדומלית (כשכל האטומים פונים לכיוונים רנדומליים), הידועה יותר כחום, שהיא בעלת אנטרופיה גדולה יותר.

לרוב מקשרים זאת לחץ הזמן הקוסמי, שכן לפי תאוריית המפץ הגדול העכשווית, היקום בתחילה היה חם מאוד וקטן מאוד, כשהאנרגיה מפוזרת בצורה מסודרת בתוך שטח קטן, ובמשך הזמן היקום גדל והתקרר. לפיכך, ליקום עצמו יש חץ זמן תרמודינמי ברור למדי. אך עדיין לא ידוע מדוע המצב ההתחלתי של היקום היה כזה של אנטרופיה נמוכה, כלומר סדר גבוה. אם ההתפשטות הקוסמית תפסק ותתהפך בשל הכבידה, טמפרטורת היקום שוב תעלה, אך צפוי כי האנטרופיה תמשיך לגדול.

 המשך במאמר 48