חוקרים הצליחו למדוד לראשונה את זמן החומר של הזכוכית – קצב ההשתנות שלה, וגילו שלהלכה הוא יכול לנוע גם לאחור, לפחות ברמה המולקולרית
אומרים שיום שעובר לא חוזר, וזה באמת נכון. אבל אם נתבונן על התהליכים המיקרוסקופיים שמתרחשים בזכוכית, נגלה שלפעמים אין הבדל בין עבר ועתיד. כך לפחות קובע מחקר חדש שבחן את תהליכי ההזדקנות של החומר השקוף. האם זה אומר שנוכל להחזיר את הזמן לאחור? ממש לא בטוח.
המשוואות המושלות בחלק ניכר מממלכת הפיזיקה הן הפיכות בזמן (רברסיביליות). למה הכוונה? קחו לדוגמה את החוק השני של ניוטון, שנחשב לתמצית המכניקה הקלאסית. החוק מתאר היטב את ההתנהגות של עצמים לא קטנים מדי ולא מהירים מדי. בניסוחו המילולי הוא אומר שכוח שפועל על גוף שקול לשילוב של המסה והתאוצה שלו. אך למשוואה המתארת את החוק אין כיוון מוגדר – היא תספק פתרון גם כשהזמן מתקדם מהעבר אל העתיד וגם כשהוא נע בכיוון ההפוך, מהעתיד בחזרה אל העבר. חייזר שיבוא לכדור הארץ ויראה את הפתרון לחוק השני של ניוטון, שמתאר מתמטית את המסלול של גוף כלשהו, לא יוכל לדעת לאיזה כיוון בדיוק זורם הזמן בכדור הארץ.
אותו דבר נכון לעוד משוואות רבות. ובכל זאת, כשאנחנו מטגנים חביתה ברור לנו לגמרי שהחביתה לא תחזור לעולם להיות ביצה. היקום נותן לנו תחושה שיש כיוון אחד נכון לזמן, מהעבר אל העתיד, והכיוון הזה אכן קיים לפי מיטב תפיסתנו.
היקום נותן לנו תחושה שיש כיוון אחד נכון לזמן, שמוביל מקפה חם לקר | Victor de Schwanberg / Science Photo Library
חץ הזמן
אחת הדרכים לראות את חץ הזמן החמקמק הזה היא באמצעות החוק השני של התרמודינמיקה, שקובע כי האנטרופיה של מערכת סגורה יכולה להישאר זהה או לגדול, אך לעולם לא להצטמצם. מערכת סגורה היא מערכת שלא מקיימת יחסי גומלין עם שום גורם חיצוני. למשל היקום הוא מערכת סגורה, וכך אמור להיות גם כל מערך מבודד של ניסוי. בתנאים מסוימים אפשר להתייחס אפילו לחביתה שמטגנים במחבת או לארוחה חמה בתנור מיקרוגל בתור מערכת כזאת. אבל מהי אנטרופיה?
המושג אנטרופיה מתייחס לרמת אי-הסדר במערכת, וליתר דיוק למספר המצבים שבהם מערכת יכולה להימצא. לדוגמה, לקבוצת המספרים (1,2,3) יש אנטרופיה גבוהה יותר מקבוצת המספרים (1,2), כי יש יותר אפשרויות שונות לסדר את המספרים בקבוצה. הוא הדין גם לנוזל לעומת מוצק: למים תהיה אנטרופיה גבוהה יותר מאשר לקרח, כי האטומים בנוזל פחות מוגבלים בתנועתם ויכולים להימצא ביותר מצבים מיקרוסקופיים. מגמת העלייה של האנטרופיה מגלמת את שאיפתו המתמדת והמובנית של הטבע לשיווי משקל, כלומר למצב שבו אין מעבר של חום בין המערכת לסביבתה.
למים יש אנטרופיה גבוהה יותר מאשר לקרח, כי האטומים בנוזל פחות מוגבלים בתנועתם ויכולים להימצא ביותר מצבים מיקרוסקופיים | Shutterstock, Designua
חומר זקן וחומר צעיר
בפיזיקה של מצב מוצק, קשה לפעמים לאבחן אם המערכת הפיכה בזמן או שהיא משתנה רק בכיוון אחד בכוח האנטרופיה. דוגמה בולטת לכך היא הזכוכית – חומר שההזדקנות שלו, דהיינו ההיווצרות של שינויים מבניים משמעותיים בו, היא תהליך איטי וממושך מאוד. לכן, לכאורה, קשה להגדיר בוודאות אם הזכוכית היא מערכת הפיכה או חד-כיוונית. לפיכך, סביר להניח שלא נצליח להכריע בשאלה הזאת גם אם נתבונן בזכוכית בקפידה במיקרוסקופ רב עוצמה.
על מנת להגדיר היטב את הזדקנות הזכוכית, הגדירו פיזיקאים מדד בשם "זמן החומר", ואף פיתחו כלי מתמטי ייעודי שיכמת את הזמן הזה. אפשר להתייחס לזמן החומר כגודל שנמדד בשעון המוצמד לזכוכית, וקצב תנועת מחוגיו משתנה ככל שהיא מזדקנת. כלומר השינויים המיקרוסקופיים בארגון מבנה החומר מכתיבים את קצב תקתוק השעון. מכיוון שזכוכית עשויה מחול מפתה לומר שזמן החומר הוא כמעט עוד סוג של "שעון חול".
כשמסתכלים על הזדקנות של חומר במונחי זמן רגיל, התהליך אינו אחיד, כלומר קצב ההזדקנות משתנה בהתאם למצב החומר. אולם אם השעון שלנו יתאים את תקתוקיו לקצב ההתקדמות של תהליך פיזיקלי בחומר, התהליך ייראה עקבי לחלוטין עם הקצב של השעון החדש. הבעיה היא שעד כה לא הצליחו לחשב את זמן החומר. לשם כך צריך לתעד בפירוט רב את תהליך ההזדקנות של הזכוכית, ובמשך יובל השנים שחלפו מאז הוצע המדד הזה לא נמצאה שיטה יעילה מספיק לאמוד אותו.
כיוונו אלומת לייזר אל זכוכית, ועקבו אחרי השינויים שחלו לאורך הזמן בתבנית ההתאבכות שנוצרה מהתפזרות קרני האור אחרי שפגע במולקולות של החומר. הלייזר פוגע בזכוכית בזמן הניסוי | Technical University of Darmstadt
למדוד את זמן החומר
כעת, במאמר חדש שפורסם בכתב העת Nature Physics, פיתחו חוקרים שיטה ניסיונית חדשה לחישוב זמן החומר. הם כיוונו אלומת לייזר אל זכוכית, ועקבו אחרי השינויים שחלו לאורך הזמן בתבנית ההתאבכות שנוצרה מהתפזרות קרני האור אחרי שפגע במולקולות של החומר, כלומר אחרי הקרניים החדשות שנוצרות כתוצאה מהמפגש. אף שמדובר לכאורה במוצק, מולקולות הזכוכית מתארגנות ונעות כל הזמן, אבל בקצב איטי מאוד. תבנית ההתאבכות המשתנה של האור הפוגע בהן, המורכבת מכתמי אור וחושך, צולמה ונותחה בכלים סטטיסטיים. באמצעותם חישבו החוקרים את קצב השינוי של תהליך ההתארגנות המתרחש בזכוכית. הקצב הזה הוא בעצם זמן החומר.
הממצא המשמעותי העולה מהמאמר הוא שבמקום שהזכוכית תשאף להגיע לשיווי משקל תרמודינמי, באמצעות תהליכי השינוי שעובר חומר שמזדקן, מסתמן בבירור שהמערכת דווקא הפיכה ביחס לזמן החומר. נמצא כי ברמה המולקולרית חלקיקי הזכוכית מסתדרים מחדש כל העת, אך באופן שאינו מאפשר להבחין בכיוון מועדף וטבעי לשינוי שלהם. אם ניקח את סרט המעקב אחרי התבנית המשתנה ונריץ אותו קדימה או אחורה, שני הכיוונים ייראו לגיטימיים באותה מידה.
למרות ההישג, מוטב לא לקפוץ למסקנות מרחיקות לכת. הכותב הראשי של המאמר, הפיזיקאי טיל בהמר (Böhmer) מאוניברסיטת דרמשטט, מסביר כי "זה לא אומר שאפשר להפוך הזדקנות של חומרים". תחת זאת, המאמר ממחיש כי זמן החומר הוא דרך טובה לתאר תהליכי הזדקנות הפיכים בזכוכית, בהיותו שעון שצמוד להזדקנות עצמה. ברמה הרחבה יותר, החומר עדיין נוטה להזדקנות שמונעת על ידי אנטרופיה. אז לפני שאתם חולמים על יצירת אבן החכמים או מעיין נעורים שמבוסס על הממצא החדש, כדאי שתחכו עוד קצת.
