זמן / אילוסטרציה: Unsplash, jon tyson
האם הזמן יכול ללכת גם לאחור? זו השאלה שהעסיקה את פרופ' ג'ון ג'. קריימר, פיזיקאי מאוניברסיטת טקסס, כשמצא את עצמו מובטל בברלין. כפיזיקאי גרעין יישומי, זה לא היה בדיוק תחום העיסוק שלו. הוא הגיע לגרמניה כדי לבצע כמה ניסויים מרגשים במכון האן־מייטנר, אלא שאז שותפו לניסוי, מפעיל הציקלוטרונים, נעלם. "התרגשותו מהניסוי הייתה כל גדולה, עד שהוא הפסיק לקחת את התרופות שאיזנו את התסמונת הבי־פולארית שלו", מספר קריימר בראיון ל"גלובס". "יום אחד הוא נעלם, ואחרי מסע חיפושים מצאו אותו ביער ללא רוח חיים. נותרתי המום. וגם ללא אפשרות להמשיך בעבודתי".
עד שקריימר הבין סופית שלא נותר איש במכון שיוכל להפעיל כראוי את המערכת הנדרשת לניסויים שלו, היה לו הרבה זמן להגות בסוגיות של זמן ושל אירועים בלתי הפיכים. הוא נזכר בסוגיה שלמד בעבר, ואפילו לימד, אף שהיא לא לגמרי קשורה לתחום התמחותו, והבין כיצד היא יכולה להגדיר מחדש את תורת הקוואנטים.
האור יוצא מהמנורה וחוזר אליה
הסיפור המדעי של קריימר מתחיל באי־נוחות מסוימת שחש מול חלקים בתיאוריה הקוואנטית. "אני אוהב פיזיקה שאני יכול לראות בעיני רוחי", הוא אומר, "ואף שאני ממש טוב בלראות מודלים של פיזיקה בעיני רוחי, בתורת הקוואנטים זה לפעמים בלתי אפשרי". אבל באותו שבתון בברלין, עלה בדעתו של קריימר הקשר בין תיאוריה ישנה על כיווניות בזמן, שפיזיקאים אמרו עליה "שטויות", לתיאוריה הקוואנטית.
למעשה, תורת הקוואנטים שוללת מאיתנו הרבה יכולות שנתנה לנו הפיזיקה הקלאסית, לדוגמה היכולת לנבא דברים כמו היכן בדיוק ינחת קליע שירינו. הפיזיקה הקוואנטית עוסקת בהסתברויות. שום אירוע אינו בטוח.
לפי הפיזיקה הקלאסית, לאירועים גם יש כיווניות בזמן. יש סיבה ותוצאה. אבן שנזרקת לעבר שמשה שוברת אותה, והשמשה אף פעם לא נשברת מעוצמת האבן לפני שהאבן מגיעה אליה. מנורה פולטת אור, והאור אף פעם לא חוזר למנורה. אלא שבשנות ה־40 של המאה ה־20 פרסמו הפיזיקאים הנודעים ריצ'רד פיינמן וג'ון ווילר תיאוריה שלפיה האור כן חוזר למנורה, כל הזמן, ולמעשה זה אותו אור שכל הזמן יוצא וחוזר אל המנורה במחזוריות בלתי נגמרת. ואם כך, מדוע אנחנו רואים את האור רק יוצא מן המנורה, ולא חוזר?
ווילר ופיינמן טענו שכאשר חלקיק נפלט, הוא שולח גלים גם לעתיד וגם לעבר, אבל אנחנו לא רואים את הגלים שנשלחו לעבר, כי גלים נוספים מהעתיד הרחוק יותר חוזרים אל העבר ומבטלים אותם.
כשהמציאות והמתמטיקה מתנגשות
מה גרם לווילר ופיינמן להניח מלכתחילה שגלים נשלחים גם אל העבר? למעשה, הם ניסו לפתור את הסתירה בין המתמטיקה למציאות כפי שעלתה ממשוואה שכתב בן המאה ה־19 ג'יימס קלארק מקסוול, האיש שגילה את האלקטרומגנטיות.
מקסוול כתב משוואות מתמטיות שלפיהן חייבים להיות גלים שמתפשטים סביבנו, ואחד הגלים האלה הוא האור (בהמשך התגלו גלים נוספים שמתפשטים במהירות האור כמו רנטגן, רדיו ומיקרוגל). למשוואה שכתב היו שני פתרונות אפשריים: באחד הגל מתפשט בכיוון העתיד, ובאחר הגל מתפשט דווקא לכיוון העבר. מדענים ביטלו את הפתרון השני, הרי כולם רואים שהאור לא חוזר למנורה, אבל מקסוול נותר מוטרד מהסתירה הזאת כל חייו.
ווילר ופיינמן טענו שהאור שבמנורה אכן הולך אל העתיד וגם אל העבר. כשהוא פוגע בקיר, שוב יוצאים מהקיר גלים אל העתיד ואל העבר. הגל שמגיע כעת אל המנורה מהעתיד מבטל את הגל שמנסה ללכת ממנה אל העבר. הגלים היחידים שמחזקים אלה את אלה הם הגלים שהולכים מהמנורה אל הקיר. לכן אנחנו נשארים במציאות עם גלים שהולכים לעתיד בלבד.
"הכרתי את התיאוריה של ווילר ופיינמן אחרי שמרצה הראה לי את שני הפתרונות של המשוואות של מקסוול ואמר, 'הפתרון המניח גם את התפשטות הגלים לעבר הוא שטויות, כי הוא לא מקיים את אילוץ הסיבה והתוצאה", מספר קריימר. "אמרתי לו, 'האם בהכרח כיוון הסיבתיות הוא אילוץ בפיזיקה?' הוא שלח אותי למאמר של ווילר ופיינמן, אבל בעצם אמר לי שגם זה שטויות".
המחשבה החדשה שנולדה בברלין
קריימר לא קיבל מעולם את ההנחה שאלה שטויות, אבל כדי להבין את החידוש שלו, יש להבין קודם "בעיה" קונספטואלית נוספת בתיאוריה הקוואנטית, שהיא גם אחד היתרונות היישומיים שלה: "שזירה קוואנטית".
אנחנו רגילים לכך שבעולם הפיזיקה הקלאסית דברים אינם יכולים להשפיע זה על זה אם הם רחוקים מאוד, וככל שהם רחוקים יותר, כך הם משפיעים פחות והזמן שלוקח להם להשפיע רב יותר. בפיזיקה הקוואנטית, לעומת זאת, אם שני חלקיקים נפגשו בעבר, שינוי באחד מהם יכול להשפיע על האחר באופן מיידי, גם אם הם רחוקים, כאילו נוצרה ביניהם ברית שגוברת על המרחק ועל חוקי הזמן.
בברלין, עלתה אצל קריימר המחשבה הבאה: נניח שביום ראשון נפגשו שני חלקיקים קוואנטיים. ביום שני, שלחתי אותם לשני חברים שלי, אליס ובוב. אליס מדדה את החלקיק ביום שני, והמדידה שלה השפיעה על החלקיק האחר שאצל בוב קדימה בזמן, אבל לפי התיאוריה של ווילר ופיינמן היא השפיעה גם אחורה בזמן, עד המועד שבו היו שני החלקיקים מחוברים.
דמיינו שהגל חוזר אחורה בזמן, משפיע על החלקיקים כשהם מחוברים, ואז ההשפעה הזאת יוצרת את השינוי שבוב יחווה בחלקיק שלו ביום שני, כשהוא כבר יגיע אליו בזיגזג מאליס, דרך העבר. אולי קל יותר לדמיין זאת מאשר לחשוב שהחלקיק שאצל אליס ממשיך להשפיע על החלקיק של בוב, בלי שמתקיים ביניהם קשר כלשהו.
"ברגע שהבנתי את זה, אמרתי לעצמי, 'ודאי כבר חשבו על זה', הרי לא הייתי מהתחום הקוואנטי ולא ידעתי מה כבר דובר שם ומה עדיין לא. לקח זמן עד שהבנתי שזה כנראה רעיון די ייחודי".
חלק מהעתיד קבוע, וחלקו חופשי
"זה פתרון מאוד אלגנטי להרבה בעיות בעולם הקוואנטים", מעיד פרופ' אבשלום אליצור, מהוגי הניסוי אליצור־וידמן וחברו של קריימר. "לדוגמה, בעיית החתול של שרדינגר, שנמצא גם חי וגם מת בתוך הקופסה שלו, כי הקוואנטים הם הסתברותיים. הגישה של קריימר אומרת משהו אחר: ברגע שפתחנו את הקופסה, בעצם חזר אחורה גל של סיבה־תוצאה, שמשפיע על העבר וגורם לכך שבעבר החתול כבר נהיה או חי או מת, אבל לא שניהם".
בעולם שלנו, של חתולים, פיזיקאים ואנשים שנמצאו מתים ביער, אי אפשר באמת ללכת אחורה בזמן. זה אפשרי רק בעולם הקוואנטי. "אני חושב שהעתיד הוא קצת כמו כפור שמתגבש על החלון", אומר קריימר. "הוא מגיע מכל מיני כיוונים ואז מתמלא. אני חושב שהזמן שולח אצבעות של סיבתיות ומשאיר מקום ביניהן, ועם הזמן גם החללים הללו מתמלאים. כך שחלק מהעתיד כבר קבוע, וחלקו עדיין חופשי".
ואם תרצו את ההסבר הפחות לירי: "זה קצת כמו עסקת אשראי. אני אומר לעתיד 'אני יכול לתת לך אנרגיה', והעתיד אומר 'בסדר', ובשלב כלשהו האנרגיה חוזרת אליי".
ב־2010, אחרי שפרש מהאקדמיה, כתב קריימר את הספר The Quantum Handshake, המסביר פיזיקה קוואנטית וגם את הרעיון הזה באופן ברור יחסית.
מה קרה בניסוי במימון המונים
אחת הדילמות שאפשר לפתור באמצעות הגישה של קריימר נוגעת לשאלת המידע שנופל לחור שחור, שהזכרנו במדור שעסק בהתערבויות בין מדענים. אחת השאלות שעמדו במוקד התערבות כזאת הייתה האם ניתן לקרוא מידע מחלקיקים שנפלו לחור שחור, ואם חלקיק בתוך חור שחור יוכל להעביר מידע לחלקיק שזור שלו שנמצא בחוץ, וכך ניתן יהיה ללמוד מה קורה בתוך החור השחור. לפי הגישה של קריימר, החלקיק שבתוך החור יכול להעביר מידע אחורה בזמן, לתקופה שבה הוא היה מחוצה לו, וכך להשפיע על החלקיק השזור שלו ולעקוף את העיקרון שמידע לא יכול לצאת מחור שחור.
קריימר מודה שהוא עדיין לא הצליח לגזור מהתיאוריה שלו ניסוי שיכול להוכיח אותה באופן חד משמעי. ב־2016 הוא פרסם תוצאות של ניסוי שמומן באמצעות קמפיין מימון המונים. בניסוי הזה הוא ביקש לראות אם מערכת מסוימת יכולה להשפיע לאחור על קוואנטים שעברו בה חמש מיקרו־שניות מוקדם יותר. הניסוי לא הצליח להוכיח "סיבתיות לאחור", כפי שהגדיר זאת קריימר, אך הוא הצליח מאוחר יותר להסביר מבחינה מתמטית איך יכול להיות שהניסוי לא עבד, אבל התיאוריה שלו עדיין נכונה.
"ככל שאני מצליח להסביר יותר פרדוקסים באמצעות התיאוריה שלי, כך יש סבירות גבוהה יותר שהיא נכונה", הוא אומר כעת. "אני יודע שלבני אדם, גם מדעני פיזיקה קוואנטית, יש התנגדות עקרונית לרעיון שהזמן זורם ביותר מכיוון אחד. למזלי, אני חופשי לחקור מה שבא לי".
הפתרון של קריימר נראה פחות בלתי סביר אם משווים אותו לפתרונות שהצליחה האנושות להעלות על דעתה לסוגיית השזירה עד היום. הנה כמה מהם: "יש משתנים חבויים שמסבירים את המוזרויות הקוואנטיות אבל אנחנו לא יודעים מה הם"; "זו התודעה האנושית שדרכה עובר המידע בין הקוואנטים"; או "בכל מדידה קוונאטית היקום מתפצל להרבה יקומים זהים". בתוך סל האופציות הזה, מסע בזמן מתחיל להיראות כאופציה לא פחות סבירה.
האם יום אחד כן נוכל להעביר מידע לאחור? "בינתיים, הפיזיקה הקוואנטית משאירה מקום לאפשרות הזאת. עוד לא הוכיחו שזה בלתי אפשרי. על פי הגישה שלי, הטבע כל הזמן עושה את זה, אבל לא באופן שחשוף לנו".