העתיד הוא גודלו של היקום

קשה לדמיין יקום אל-זמני, אבל לא משום שהזמן הוא מושג מורכב טכנית או חמקמק מבחינה פילוסופית. הסיבה היא יותר מבנית: כדי לדמיין אל-זמניות הזמן צריך לחלוף. אפילו כשמנסים לדמיין את היעדרו, מרגישים אותו נע כשהמחשבות משתנות, כשהלב מזרים דם אל המוח, והדימויים, הקולות והריחות נעים סביבנו. הדבר שהוא זמן כנראה לעולם אינו פוסק. אפשר אפילו להרגיש שאנחנו שלובים בתוך המארג הנע ללא הרף שלו, בעת שאנו חווים את היקום מתחבר ומתפרק. אבל האם כך באמת פועל הזמן?

רבים מן התיאורים הכי בסיסיים שלנו את הטבע – מחוקי התנועה ועד תכונותיהם של מולקולות ושל חומר – קיימים לכאורה בעולם שבו הזמן לא ממש חולף

על פי אלברט איינשטיין, החוויה שלנו את העבר, ההווה והעתיד אינה אלא ״אשליה עיקשת״. על פי אייזק ניוטון, הזמן אינו יותר מרקע, מחוץ לחיים. ועל פי חוקי התרמודינמיקה, הזמן אינו יותר מאנטרופיה וחום. בתולדות הפיזיקה המודרנית, מעולם לא הייתה תאוריה מקובלת על רבים שבה מושג של זמן נע שהוא בעל כיוון הוא מושג בסיסי. רבים מן התיאורים הכי בסיסיים שלנו את הטבע – מחוקי התנועה ועד תכונותיהם של מולקולות ושל חומר – קיימים לכאורה בעולם שבו הזמן לא ממש חולף. אולם, ממחקרים עדכניים בתחומים שונים עולה כי תנועת הזמן עשויה להיות חשובה יותר מכפי שפיזיקאים נטו להניח.

סוג חדש של פיזיקה הקרויה תיאוריית ההרכבה (Assembly theory) מציע כי מושג של זמן נע, בעל כיוון מוגדר, הוא אמיתי ובסיסי. על פי תיאוריה זו אובייקטים מורכבים ביקום שלנו שנוצרו על ידי צורות חיים, ובכלל זה מיקרובים, מחשבים וערים, אינם קיימים מחוץ לזמן: הם אינם אפשריים כלל ללא תנועת הזמן. מנקודת מבט כזו, חלוף הזמן אינו רק מהותי לאבולוציית החיים או לחוויות שלנו את היקום. הוא גם המרקם החומרי הנע ללא הפסק של היקום עצמו. הזמן הוא אובייקט. יש לו גודל פיזיקלי, כמו לחלל. וניתן למדוד אותו ברמה המולקולרית, במעבדה.

האחדת הזמן והמרחב שינתה באורח קיצוני את מסלולה של הפיזיקה במאה ה-20. הדבר פתח אפשרויות חדשות לאופן שבו אנו חושבים על המציאות. מה יכולה האחדה של זמן וחומר לעשות במאה שלנו? מה קורה כשהזמן הוא אובייקט?

השניות האחרונות בחיי האור בפנס האחורי של מכונית הנוסעת בלילה. תצלום: בנימין בלטלר

איינשטיין יכול היה לשלב את המושגים של אופן המדידה של החלל והזמן למבנה מאוחד שאנו כעת מכנים בשם ״חללזמן״. במבנה זה, החלל הוא אינסופי וכל הנקודות קיימות בו זמנית. אך גם לזמן, כפי שאיינשטיין תיאר אותו, יש תכונה כזו, כלומר כל הזמנים – עבר, הווה ועתיד – הם אמיתיים במידה שווה

בעיני ניוטון, הזמן היה קבוע. בחוקי התנועה והכבידה שלו, שמתארים את האופן שבו אובייקטים משנים את מיקומם במרחב, הזמן הוא רקע בלבד. הזמן הניוטוני חולף אך לעולם אינו משתנה. וזוהי תפישה של הזמן שנמשכת בפיזיקה המודרנית – אפילו בפונקציית הגל של מכנת הקוונטים, הזמן הוא רקע, לא מרכיב מהותי. בעיני איינשטיין, לעומת זאת, הזמן אינו מוחלט. הוא יחסי לכל צופה. הוא מתאר את החוויה שלנו של חלוף הזמן כ״אשליה עיקשת״. זמן איינשטייני הוא מה שנמדד באמצעות תקתוק השעון; החלל נמדד על ידי סימני הסרגלים שאומדים מרחקים. על ידי חקר התנועות היחסיות של תקתוקי השעונים וסימני הסרגלים, איינשטיין יכול היה לשלב את המושגים של אופן המדידה של החלל והזמן למבנה מאוחד שאנו כעת מכנים בשם ״חללזמן״. במבנה זה, החלל הוא אינסופי וכל הנקודות קיימות בו זמנית. אך גם לזמן, כפי שאיינשטיין תיאר אותו, יש תכונה כזו, כלומר כל הזמנים – עבר, הווה ועתיד – הם אמיתיים במידה שווה. התוצאה לעתים מכונה בשם block universe (וגם Eternalism), המכיל את כל מה שקרה בחלל ובזמן. כיום, מרבית הפיזיקאים תומכים ברעיון זה.

אבל ה- block universe נסדק עוד לפני שהגיע. בראשית המאה ה-19, כמעט מאה שנה לפני שאיינשטיין פיתח את מושג החללזמן, ניקולא לאונרד סאדי קרנו ופיזיקאים אחרים כבר פקפקו ברעיון שלפיו הזמן הוא רקע או אשליה. השאלות הללו נשאלו שוב ושוב במהלך המאה ה-19 בעת שפיזיקאים כמו לודוויג בולצמן החלו להקדיש מחשבה לבעיות שעלו מן הטכנולוגיה החדשה: המנוע.

אם נוהגים במכונית והדלק שלה אוזל, אי אפשר להניע את המנוע לאחור, להחזיק את החום שהוא פלט ולשחזר את הדלק שנשרף. פיזיקאים בראשית ימי המנועים גילו שמנועים אינם מתפקדים אלא אם הזמן חולף ויש לו כיוון

אף שמנועים ניתנים לשכפול מכאני, הפיזיקאים לא ידעו בדיוק איך הם מתפקדים. מכניקה ניוטונית הייתה הפיכה: המנועים לא. המערכת הסולרית הניוטונית פעלה באותה מידה כשהיא נעה קדימה או אחורה בזמן. אולם, אם נוהגים במכונית והדלק שלה אוזל, אי אפשר להניע את המנוע לאחור, להחזיק את החום שהוא פלט ולשחזר את הדלק שנשרף. פיזיקאים באותה עת חשדו שמנועים בוודאי פועלים על פי חוקים מסוימים, גם אם אלה אינם ידועים עדיין. מה שהם גילו היה שמנועים אינם מתפקדים אלא אם הזמן חולף ויש לו כיוון. על ידי ניצול ההבדלים בטמפרטורות, מנועים מניעים תנועה של חום מחלקים חמים אל חלקים קרים. כשהזמן נע קדימה, הבדלי הטמפרטורות פוחתים וניתן לבצע פחות ״עבודה״. זוהי תמצית החוק השני של התרמודינמיקה (הידוע גם כחוק האנטרופיה), אשר הוצע על ידי קרנו ולאחר מכן הוסבר באופן סטטיסטי על ידי בולצמן. החוק מתאר את האופן שבו ה״עבודה״ של מנוע נעשית יעילה פחות במשך הזמן. מדי פעם יש לתדלק את המכונית, והאנטרופיה חייבת לגדול תמיד.

המנוע עובד, הדלק נשרף, החום נפלט, והכול בלתי הפיך: הזמן ממשי מאוד. תצלום: ארטס מקס, Ferrari SF17-JB / Kimi Räikkönen / FIN / Scuderia Ferrar

הדבר הגיוני בהקשר של מנועים ואובייקטים מורכבים אחרים, אבל אינו מסייע להבין חלקיק יחיד. אין משמעות לדיבור על טמפרטורה של חלקיק בודד, כי טמפרטורה היא תמיד כימות של אנרגיה קינטית ממוצעת של חלקיקים רבים. בחוקי התרמודינמיקה, הזרימה והכיוון של הזמן נחשבים לתכונה מתהווה ולא לרקע או לאשליה – תכונה הקשורה להתנהגות של מספרים גדולים של אובייקטים. בעוד שעל פי תיאוריית התרמודינמיקה לחלוף הזמן צריכה להיות כיווניות, תכונה זו לא הייתה בסיסית. בפיזיקה, תכונות ״בסיסיות״ הן כאלה שלא ניתן לתאר במונחים אחרים. אי לכך חץ הזמן בתרמודינמיקה נחשב ״מתהווה״ כי ניתן להסביר אותו במונחים בסיסיים יותר כמו אנטרופיה וחום.

את הופעת 'אינסוף הצורות' של דארווין ניתן להסביר רק ביקום שבו הזמן קיים ויש לו כיווניות ברורה

צ׳רלס דארווין, שעבר בין עידן מנוע הקיטור של קרנו להופעת ה- block universe של איינשטיין, היה בין הראשונים שראה בבהירות כיצד החיים חייבים להתקיים בזמן. במשפט החותם את ספרו משנת 1859 ״מוצא המינים״, הוא לכד באורח נאה את נקודת המבט הזו: ״אף שכוכב זה הסתובב לו על פי חוקי הכבידה הקבועים, מהתחלה פשוטה כל כך אינסוף צורות יפות ביותר ומקסימות ביותר התפתחו ומוסיפות להתפתח״. את הופעת ״אינסוף הצורות״ של דארווין ניתן להסביר רק ביקום שבו הזמן קיים ויש לו כיווניות ברורה.

במהלך מיליארדי השנים האחרונות, החיים התפתחו מאורגניזמים חד תאיים לאורגניזמים מורכבים רב תאיים. הם התפתחו מחברות פשוטות לערים סואנות וכעת הכוכב שלנו מסוגל עקרונית לשכפל את החיים שלו בעולמות אחרים. דברים אלה מתהווים עם הזמן, כי הם יכולים להתהוות רק באמצעות התהליכים של ברירה ואבולוציה.

אנחנו חושבים שהתבונה של איינשטיין אינה מעמיקה דיה. האבולוציה מתארת היטב את השינויים שנצפים בצורות חיים שונות, אבל אינה עושה הרבה יותר מכך: היא התהליך הפיזיקלי היחיד ביקום שלנו שיכול ליצור את האובייקטים המקושרים לחיים, ובכלל זה חיידקים, חתולים ועצים, אבל גם דברים כמו טילים, טלפונים ניידים וערים. דבר מכל האובייקטים הללו אינו מתהווה ספונטנית, על אף התיאורים פופולריים של הפיזיקה המודרנית הטוענים כי הדבר אפשרי. ועם זאת, על פי ניוטון, איינשטיין, קרנו, בולצמן ואחרים, הזמן אינו קיים או פשוט מתהווה.

חשבו על 'זיכרון' כעל דרך לתאר את רישום הפעולות או התהליכים שנדרשים כדי לבנות אובייקט נתון

הזמנים של הפיזיקה ושל האבולוציה אינם תואמים. אך זה לא היה תמיד ברור משום שהפיזיקה והאבולוציה עוסקות בסוגים שונים של אובייקטים. פיזיקה, בעיקר מכניקת קוונטים, עוסקת באובייקטים פשוטים ובסיסיים: קווארקים, לפטונים, וחלקיקים נושאי כוח של המודל הסטנדרטי. מאחר שאובייקטים אלה נחשבים פשוטים, הם אינם תובעים ״זיכרון״ כדי שהיקום ייצור אותם (בהנחה שישנם די אנרגיה ומשאבים). חשבו על ״זיכרון״ כעל דרך לתאר את רישום הפעולות או התהליכים שנדרשים כדי לבנות אובייקט נתון. כשמגיעים לדיסציפלינות העוסקות באבולוציה, כמו כימיה וביולוגיה, מגלים אובייקטים מורכבים מכדי להיווצר מידית ובשפע (אפילו כשישנם אנרגיה וחומרים מתאימים). כדי להיווצר, הם תובעים זיכרון, הנצבר לאורך זמן. כפי שדארווין הבין, חלק מן האובייקטים נוצרים רק על ידי האבולוציה ובחירה של ״רישומים״ מסוימים מתוך הזיכרון.

אובייקט מורכב הנושא איתו סיפור של זמן ותהליך הרכבה ארוך. תצלום: ג'טין נמדאו

אי התאימות הזו יוצרת צבר בעיות שניתן לפתור רק על ידי פרידה דרמטית מן האופנים שבהם הפיזיקה עוסקת כיום הזמן – בעיקר אם אנו רוצים להסביר את החיים. בעוד שתיאוריות עכשוויות של מכניקת הקוונטים יכולות להסביר תכונות מסוימות של מולקולות, למשל את היציבות שלהן, הן אינן יכולות להסביר את קיומם של די אן איי, חלבונים, אר אן איי, או מולקולות גדולות ומורכבות אחרות. באותו אופן, החוק השני של התרמודינמיקה אמור להצביע על הכרח כיוון חץ הזמן ולהסביר כיצד אורגניזמים משנים אנרגיה, אבל הוא אינו מסביר את כיווניות הזמן, שבה אינסוף צורות נבנות במהלך האבולוציה ללא שווי משקל או מוות-חום של הביוספרה באופק. מכניקת הקוונטים והתרמודינמיקה נחוצות כדי להסביר כמה מאפיינים של החיים, אבל אין די בהן.

תיאוריית ההרכבה מכמתת את הברירה על ידי הפיכת הזמן לתכונה של אובייקטים שיכולים להתהוות רק באמצעות אבולוציה

בעיות אלה ואחרות הובילו אותנו לפתח צורת חשיבה חדשה על הפיזיקה של הזמן, שאנחנו מכנים בשם תיאוריית ההרכבה (assembly theory). היא מתארת כמה זיכרון צריך להתקיים כדי שמולקולה או צירוף של מולקולות – האובייקטים מהם עשויים החיים – יוכלו להיווצר. בתיאוריית ההרכבה, זיכרון זה נמדד על פני הזמן כתכונה של מולקולה על ידי התמקדות בזיכרון המינימלי הנדרש כדי שמולקולה זו (או מולקולות אלה) ייווצרו. תיאוריית ההרכבה מכמתת את הברירה על ידי הפיכת הזמן לתכונה של אובייקטים שיכולים להתהוות רק באמצעות אבולוציה.

התחלנו לפתח את הפיזיקה החדשה על ידי מחשבה על האופן שבו החיים מתהווים באמצעות שינויים כימיים. הכימיה של החיים פועלת באופן צירופים, כשאטומים נקשרים ויוצרים מולקולות, ומספר הקומבינציות האפשריות גדל עם כל קשר נוסף. הקומבינציות הללו נוצרות מכ-92 יסודות המצויים בטבע, שהכימאים מעריכים כי ניתן לשלב ביניהם ליצירת כ- 10⁶⁰ מולקולות שונות – אחד ואחריו 60 אפסים. כדי להפוך לשימושיים, כל קומבינציה כזו צריכה להשתכפל מיליארדי פעמים – חשבו על מספר המולקולות הדרושות כדי ליצור תא אחד בודד, ובוודאי חרק או אדם. שכפול של כל אובייקט מורכב דורש זמן, כי כל צעד הנדרש כדי להרכיבו כרוך בחיפוש בחלל קומבינטורי רחב ידיים כדי לבחור אילו מולקולות יקבלו צורה פיזיקלית.

חשבו על חלבונים מקרומולקולריים שיצורים חיים משתמשים בהם כזרזים בתוך תאים. החלבונים הללו עשויים מאבני בניין מולקולריות קטנות יותר בשם חומצות אמינו, שמשתלבות כדי ליצור שרשרות שלרוב אורכן בין 50 ועד אלפיים חומצות אמינו. אם כל חלבון אפשרי שאורכו מאה חומצות אמינו היה מורכב מעשרים חומצות אמינו נפוצות שיוצרות חלבונים, התוצאה הייתה ממלאת לא רק את היקום שלנו אלא 10²³ יקומים.

חללים קומבינטוריים מופיעים כנראה כשקיימים חיים. כלומר, ישנה נוכחות של חיים כשחלל האפשרויות גדול כל כך שהיקום חייב לבחור רק חלק מן החלל הזה ולאפשר לו להתקיים

קשה לתפוש את נפח החלל של כל המולקולות האפשריות. כאנלוגיה, חשבו על קומבינציות שאתם יכולים לבנות מערכה של לבני לגו. אם הערכה כוללת רק שתי לבנים, מספר הצירופים יהיה קטן. אולם, אם הערכה כוללת אלפי חלקים, כמו ערכת לגו לבניית מודל של הטאג׳ מאהל הכוללת 5923 חלקים, מספר הקומבינציות האפשריות יהיה עצום בגודלו. אם תדרשו במיוחד לבנות את הטאג׳ מאהל על פי ההוראות, מרחב האפשרויות יהיה מוגבל, אבל אם תוכלו לבנות כל אובייקט לגו בעזרת 5923 הלבנים הללו, תהיה התפוצצות קומבינטורית של מבנים אפשריים שניתנים לבנייה – האפשרויות גדלות אקספוננציאלית עם כל לבנה שנוספת. אם תחברו שני מבני לגו שכבר בניתם בכל שנייה, לא תוכלו למצות את כל האובייקטים האפשריים לבנייה בערכה בגודל כזה בפרק זמן השווה לגילו של היקום. למעשה, כל חלל שייבנה קומבינטורית אפילו מלבני בניין פשוטות יהיה בעל תכונה כזו. כולל כל האובייקטים דמויי התא הבנויים מכימיה, כל האורגניזמים הבנויים מסוגי תאים שונים, כל השפות האפשריות הבנויות ממילים או הגאים, וכל תוכנות המחשב האפשריות הבנויות מכל מערכי ההוראות האפשריים. התבנית כאן היא שחללים קומבינטוריים מופיעים כנראה כשקיימים חיים. כלומר, ישנה נוכחות של חיים כשחלל האפשרויות גדול כל כך שהיקום חייב לבחור רק חלק מן החלל הזה ולאפשר לו להתקיים. תיאוריית ההרכבה נועדה לתת לרעיון הזה ביטוי פורמלי. על פי תיאוריה זו, אובייקטים נבנים באורח קומבינטורי מאובייקטים אחים, וממש כפי שהייתם משתמשים בסרגל כדי למדוד את גודלו של אובייקט נתון במרחב, תיאוריית ההרכבה מספקת אומדן – הקרוי ״מדד ההרכבה״ – שבאמצעותו אפשר למדוד כמה גדול האובייקט בזמן.

5923 חלקים, סדר אחד: לגו טאג' מהאל. תצלום: גארת' מילנר

ערכת הלגו של הטאג׳ מאהל מייצגת באנלוגיה הזו מולקולה מורכבת. שכפול של אובייקט ספציפי, כמו ערכת לגו, באופן שאינו אקראי, דורש ברירה בתוך חלל כל האובייקטים האפשריים. כלומר, בכל שלב של בנייה, אובייקטים מסוימים או ערכות של אובייקטים מסוימים חייבים להיבחר, באמצעות ברירה מתוך מספר גדול של צירופים אפשריים שאפשר לבנות. ביחד עם הברירה, נדרש גם ״זיכרון״: נדרש מידע באובייקטים הקיימים כדי להרכיב אובייקט חדש מסוים, שמיושם כסדרה של צעדים שאפשר להשלים בזמן סופי, כמו הוראות הדרושות להרכבת הטאג׳ מאהל מלגו. אובייקטים מורכבים יותר דורשים יותר זיכרון כדי להתהוות.

בתיאוריית ההרכבה, אובייקטים הופכים למורכבים במהלך הזמן, באמצעות תהליך של ברירה. ככל שאובייקט נעשה מורכב יותר, החלקים הייחודים לו רבים יותר, כלומר הזיכרון המקומי חייב לגדול גם הוא

בתיאוריית ההרכבה, אובייקטים הופכים למורכבים במהלך הזמן, באמצעות תהליך של ברירה. ככל שאובייקט נעשה מורכב יותר, החלקים הייחודים לו רבים יותר, כלומר הזיכרון המקומי חייב לגדול גם הוא. ה״זיכרון המקומי״ הזה הוא השרשרת הסיבתית של האירועים שבמהלכה האובייקט ״מתגלה״ לראשונה באמצעות ברירה ואז נוצר בעותקים רבים. למשל, במחקר מוצא החיים, כימאים חוקרים כיצד מולקולות מתחברות ליצירת אורגניזמים חיים. כדי שמערכת כימית תתהווה באורח ספונטני כ״חיים״ היא חייבת להשתכפל על ידי יצירה, או זירוז יצירתן של מערכות עצמאיות של תגובות כימיות. אבל כיצד מערכת כימית ״יודעת״ איזו קומבינציות ליצור? למה אנחנו יכולים לראות ״זיכרון מקומי״ בפעולה ברשתות המולקולות הללו ש״למדו״ להתקשר זו לזו כימית בדרכים מסוימות. ככל שהזיכרון הנדרש גדל, הסיכוי שאובייקט נוצר במקרה צונח לאפס כי מספר הקומבינציות החלויות שלא נבחרו פשוט גדול מדי. אובייקט, בין אם הוא לגו של הטאג׳ מאהל או רשת של מולקולות, יכול להיווצר ולהשתכפל רק בעזרת זיכרון ותהליך בנייה. אבל זיכרון לא נמצא בכל מקום, הוא מקומי בחלל ובזמן. פירוש הדבר הוא שאובייקט יכול להיווצר רק במקום שבו ישנו זיכרון מקומי שיכול להנחות את הבחירה אילו חלקים מתאימים לאיזה מקום ומתי.

תיאוריית ההרכבה מתעניינת במולקולות מורכבות עם מספר עותקים גדול, המעיד על כך שהמולקולה נוצרה על ידי האבולוציה

בתיאוריית ההרכבה, ״ברירה״ פרושה מה שהתהווה בחלל הקומבינציות האפשריות. היא מתוארת באמצעות מספר העותקים (Copy number) של האובייקט ומורכבותו. מספר העותקים  או ריכוז הוא מושג המשמש בכימיה ובביולוגיה מולקולרית והוא מתייחס למספר העותקים של מולקולה הקיימים בנפח נתון של החלל. בתיאוריית ההרכבה, מורכבות היא משמעותית כמו מספר העותקים. מולקולה מורכבת מאוד שקיימת רק כעותק יחיד אינה חשובה. תיאוריית ההרכבה מתעניינת במולקולות מורכבות עם מספר עותקים גדול, המעיד על כך שהמולקולה נוצרה על ידי האבולוציה. מדד המורכבות הזה ידוע גם כ״מדד ההרכבה״ של האובייקט. הערך הזה קשור לכמות הזיכרון הפיזיקלי הנדרשת כדי לאחסן את המידע המנחה את הרכבתו של אובייקט ומנחה את כיווניות הזמן מן הפשוט אל המורכב. ואף שזיכרון חייב להתקיים בסביבה כדי להביא להתהוות האובייקט, בתיאוריית ההרכבה הזיכרון הוא גם תכונה פיזיקלית מהותית של האובייקט. למעשה, הוא האובייקט.

במקור, מולקולות של אטומי פחמן, ולאחר זמן ותהליך - יהלומים נדירים בצבע סגול פלורסנטי, ממערב אוסטרליה. תצלום: Ellendale2020, ויקיפדיה

החיים הם ערמות של אובייקטים הבונים אובייקטים אחרים שבונים אובייקטים אחרים – הם אובייקטים שבונים אובייקטים, וכן הלאה והלאה. חלק מהאובייקטים התהווה יחסית לא מזמן, כמו ״כימיקלים לנצח״ סינטטיים העשויים מתרכובות כימיות אורגנו-פלואוריות. אחרים התהוו לפני מיליארדי שנים, כמו תאי צמח המבצעים פוטוסינתזה. לאובייקטים שונים יש עומק זמן שונה. ועומק זה קשור ישירות גם למדד ההרכבה של האובייקט וגם למספר העותקים שלו, שאנו יכולים לשלב לכדי מספר: מידה הקרויה Assembly  (״הרכבה״) או A. ככל שמספר ההרכבה גדול יותר, כך האובייקט הוא בעל עומק זמן גדול יותר.

כדי לאמוד את ההרכבה במעבדה, אנחנו מבצעים אנליזה כימית של האובייקט וסופרים כמה עותקים של מולקולה נתונה הוא מכיל. לאחר מכן אנחנו מסיקים את מורכבות האובייקט, הידועה כמדד ההרכבה המולקולרי שלו, על ידי ספירת מספר החלקים שהוא כולל. החלקים המולקולריים הללו, כמו חומצות אמינו בשרשרת של חלבון, נקבעים לעתים קרובות על ידי קביעת מדד ההרכבה המולקולרי של האובייקט – מספר הרכבה תיאורטי. אבל איננו מקישים תיאורטית. אנחנו ״סופרים״ את המרכיבים המולקולריים של אובייקט תוך שימוש בטכניקות הדמיה כמו: ספקטומטריית חומר, ספקטרוסקופיה באינפרה אדום ובתהודה מגנטית גרעינית. ראוי לציין כי מספר המרכיבים שספרנו במולקולות תואם את מספרי ההרכבה התיאורטיים שלהן. פירוש הדבר הוא שאנחנו יכולים למדוד את מדד ההרכבה של אובייקט ישירות באמצעות ציוד מעבדה מקובל.

מספר הרכבה גדול – מדד הרכבה גדול וגם מספר עותקים גדול – מעיד על כך שאובייקט יכול להיווצר על ידי משהו בסביבתו. זה עשוי להיות תא שמרכיב מולקולות בעלות מספר הרכבה גבוה כמו חלבונים, או כימאי היוצר מולקולות שערך ההרכבה שלהן גבוה באותה מידה

מספר הרכבה גדול – מדד הרכבה גדול וגם מספר עותקים גדול – מעיד על כך שאובייקט יכול להיווצר על ידי משהו בסביבתו. זה עשוי להיות תא שמרכיב מולקולות בעלות מספר הרכבה גבוה כמו חלבונים, או כימאי היוצר מולקולות שערך ההרכבה שלהן גבוה באותה מידה, כמו התרופה Taxol לטיפול בסרטן. אובייקטים מורכבים עם מספרי עותקים גבוהים לא התהווה אקראית, אלא הם תוצאה של תהליך של אבולוציה או ברירה. הם אינם נוצרים על ידי סידרה של מפגשים מקריים אלא על ידי ברירה לאורך זמן. ליתר דיוק, על ידי עומק זמן מסוים.

היווצרות נטיף היא גם עניין של זמן: הדגמה במעבדה. תצלום: B. Schmidkonz, ויקיפדיה

זהו מושג קשה להבנה. אפילו כימאים מתקשים לתפוש את הרעיון הזה, משום שקל לדמיין שמולקולות ״מורכבות״ נוצרות על ידי אינטראקציות מקריות עם הסביבה שלהן. אולם, במעבדה, אינטראקציות מקריות מובילות לעתים קרובות להיווצרות ״זפת״ ולא אובייקטים בעלי ערך הרכבה גבוה. ״זפת״ הוא הסיוט של כל כימאי – תערובת חסרת סדר של מולקולות שלא ניתן לזהות כל אחת מהן. מוצאים אותה לעתים תכופות בניסויים של מקור החיים. בניסוי ״המרק המחזורי״ שערך הכימאי האמריקני סנטלי מילר בשנת 1953, חומצות האמינו שנוצרו בתחילה הפכו לערבוביה של חומר שחור דביק בכל פעם שהניסוי התמשך לאורך יותר מדי זמן (והחוקרים לא כפו ברירה שעצרה את המשך השינויים הכימיים). הבעיה בניסויים כאלה היא שהחלל הקומבינטורי של המולקולות האפשריות הוא רחב כל כך עבור אובייקטים בעלי ערך הרכבה גבוה, ששום מולקולות ספציפיות לא נוצרות בשפע. התוצאה היא ״זפת״.

דמיינו שאתם לוקחים את הלבנים מתוך מאה קופסאות של אותה ערכת לגו, משליכים אותן באוויר ומצפים למאה עותקים של אותו מבנה בדיוק. אם תיאוריית ההרכבה צודקת, הסיכויים שזה אכן יקרה נמוכים מאוד, ואולי אפילו אפסיים. בדיוק כמו הסיכוי שביצה שנשברה תתאחה בחזרה באורח ספונטני

זה כאילו שתשליכו באוויר 5923 לבני לגו מערכת הטאג׳ מאהל ותצפו שהן יתחברו, באופן ספונטני, בדיוק על פי הוראות הבנייה. כעת דמיינו שאתם לוקחים את הלבנים מתוך מאה קופסאות של אותה ערכת לגו, משליכים אותן באוויר ומצפים למאה עותקים של אותו מבנה בדיוק. אם תיאוריית ההרכבה צודקת, הסיכויים שזה אכן יקרה נמוכים מאוד, ואולי אפילו אפסיים. בדיוק כמו הסיכוי שביצה שנשברה תתאחה בחזרה באורח ספונטני.

אבל מה באשר לאובייקטים מורכבים שמתהווים באופן טבעי ללא ברירה או אבולוציה מה בנוגע לפתיתי שלג, מינרלים ומערכות סופה מורכבות? להבדיל מאובייקטים הנוצרים על ידי האבולוציה והברירה, את אלה אין צורך להסביר באמצעות ״עומק הזמן״ שלהם. אף שכל אחד מהם מורכב, אין להם ערך הרכבה גבוה כי הם נוצרים אקראית ולשם היווצרותם לא נדרש זיכרון. יש להם מספר עותקים נמוך כי אין כלל בנמצא עותקים זהים שלהם. שום פתית שלג אינו זהה לפתית שלג אחר, וכך הדבר גם באשר למינרלים ולמערכות מזג אוויר סוערות.

תיאוריית ההרכבה לא משנה רק את האופן שבו אנחנו חושבים על זמן, אלא גם את האופן שבו אנו מגדירים את החיים עצמם. על ידי יישום הגישה הזו למערכות מולקולריות, אנו אמורים להיות מסוגלים למדוד אם מולקולה נוצרה בתהליך אבולוציוני. פירוש הדבר הוא שאנו יכולים לקבוע אילו מולקולות יכלו להיווצר בתהליך חי  בלבד, אפילו אם התהליך הזה כולל כימיה שונה מזו הקיימת בכדור הארץ. באופן כזה, תיאוריית ההרכבה יכולה לתפקד כמערכת איתור חיים כללית, שפועלת על ידי קביעת מדדי ההרכבה ומספרי העותקים של מולקולות בדוגמיות חיות או שאינן חיות.

בניסויי המעבדה שלנו, גילינו שרק דוגמיות חיות מייצרות מולקולות בעלות ערך הרכבה גבוה. הצוותים שלנו וחוקרים ששיתפו איתנו פעולה שכפלו את הממצאים הללו תוך שימוש בטכניקה אנליטית הקרויה ספקטרומטריית חומר, שבה מולקולות מן הדוגמית ״נשקלות״ בשדה אלקטרומגנטי ואז מרוסקות לרסיסים תוך שימוש באנרגיה. ריסוק של מולקולה לחלקיקים מאפשר לנו למדוד את מדד ההרכבה שלה על ידי ספירת החלקים הייחודיים שהיא מכילה. באופן כזה, אנו יכולים לחשב כמה צעדים נדרשו כדי לייצר אובייקט מולקולרי ואז לאמוד את עומק הזמן שלו בכלי מעבדה רגילים.

מולקולות שנוצרו בתהליכים אקראיים אינן יכולות להגיע ליותר מ-13 צעדים. אנו סבורים כי הדבר מעיד על שלב מעבר, שבו הפיזיקה של האבולוציה והברירה חייבת לתפוס את מקום צורות הפיזיקה האחרות כדי להסביר כיצד מולקולות כאלה נוצרו

כדי לאשש את התיאוריה שלנו שלפיה אובייקטים בעלי מדד הרכבה גבוה יכולים להיווצר רק על ידי חיים, הצעד הבא היה בחינה של דוגמאות חיות ולא חיות. הצוותים שלנו הצליחו להפיק דוגמיות של מולקולות מכל רחבי מערכת השמש, ובכלל זה ממערכות חיות, מאובנות ואביוטיות בכדור הארץ. דוגמיות מוצקים – אבנים, עצמות, בשר וצורות אחרות של חומר הומסו בנוזל ואז נותרו באמצעות ספקטרומטר חומר ברזולוציה גבוהה, שיכול לזהות את המבנה והתכונות של המולקולה. גילינו כי רק מערכות חיות מייצרות שפע של מולקולות בעלות מדד הרכבה מעל ערך 15 הצעדים שנקבע בניסוי. הגבול בין 13 ל-15 צעדים הוא חד, ופירושו שמולקולות שנוצרו בתהליכים אקראיים אינן יכולות להגיע ליותר מ-13 צעדים. אנו סבורים כי הדבר מעיד על שלב מעבר, שבו הפיזיקה של האבולוציה והברירה חייבת לתפוס את מקום צורות הפיזיקה האחרות כדי להסביר כיצד מולקולות כאלה נוצרו.

Covid-19, סיפור הכולל זמן, התפתחות מבנית והשלכות. אילוסטרציה. תצלום: CDC.

הניסויים הללו מאשרים כי רק אובייקטים עם מספר הרכבה גבוה מספיק – מולקולות מורכבות מאוד ששוכפלו בשפע – נמצאות כנראה בצורות חיים. מה שמרגש עוד יותר הוא שאנו יכולים למצוא את המידע הזה בלי לדעת דבר נוסף על ההווה של המולקולה. תיאוריית ההרכבה יכולה לקבוע אם מולקולות מכל מקום ביקום התהוו באמצעות אבולוציה או לא, אפילו אם איננו יודעים באיזו כימיה הן נוצרו.

כמדד אמפירי לאובייקטים היכולים להיווצר על ידי אבולוציה בלבד, מדד ההרכבה פותח בפנינו תיאוריה כללית יותר של חיים. אם התיאוריה תקפה, ההשלכה הפילוסופית מרחיקת הלכת ביותר שלה היא שהזמן קיים כתכונה חומרית של אובייקטים מורכבים שנוצרו על ידי האבולוציה

האפשרות לזהות מערכות חיות במקומות אחרים בגלקסיה היא מרגשת, אבל מרגשת יותר עבורנו היא האפשרות לקיומה של פיזיקה מסוג חדש, והסבר חדש לחיים. כמדד אמפירי לאובייקטים היכולים להיווצר על ידי אבולוציה בלבד, מדד ההרכבה פותח בפנינו תיאוריה כללית יותר של חיים. אם התיאוריה תקפה, ההשלכה הפילוסופית מרחיקת הלכת ביותר שלה היא שהזמן קיים כתכונה חומרית של אובייקטים מורכבים שנוצרו על ידי האבולוציה. כלומר, ממש כפי שאיינשטיין שינה לגמרי את מושג הזמן שלנו על ידי האחדות עם החלל, תיאוריית ההרכבה מצביעה לעבר המשגה לגמרי חדשה של זמן על ידי האחדתו עם החומר.

מדובר בשינוי רדיקלי, כי כפי שציינו, זמן מעולם לא היה מושג בסיסי בתולדות הפיזיקה. ניוטון וחלק מאנשי פיזיקת הקוונטים ראו בו רקע. איינשטיין חשב שהוא אשליה. ובעבודתם של מי שחוקרים את התרמודינמיקה, הזמן מובן כתכונה מתהווה בלבד. תיאוריית ההרכבה תופשת את הזמן כבסיסי וחומרי: זמן הוא הדבר שממנו עשויים דברים ביקום. אובייקטים שנוצרו באמצעות ברירה ואבולוציה יכולים להיווצר רק באמצעות חלוף הזמן. אבל אל תחשבו על הזמן הזה כאילו הוא נמדד באמצעות תקתוקי השעון או רצף של שנים בלוח השנה. זמן הוא מאפיין פיזיקלי. חשבו עליו במונחים של הרכבה, תכונה מהותית מדידה של עומק או גודל של מולקולה בזמן.

זהו רעיון קיצוני כי הוא גם מאפשר לפיזיקה להסביר שינוי אבולוציוני. באופן מסורתי, פיזיקה חקרה אובייקטים שהיקום יכול ליצור באורח ספונטני, כמו חלקיקים אלמנטריים או כוכבים. תיאוריית ההרכבה, לעומת זאת, מסבירה אובייקטים שהתפתחו, כמו מולקולות מורכבות, ביוספרות ומחשבים. אובייקטים מורכבים אלה קיימים רק לאורך שושלות שבהן נצבר מידע הייחודי להרכבתם.

כדי שביקום שלנו יתקיימו אובייקטים מורכבים כמו מחשבים, אובייקטים רבים אחרים צריכים להיווצר קודם לכן: כוכבים, יסודות כבדים, חיים, כלים, טכנולוגיה והמחשוב, כמושג מופשט. הדבר דורש זמן ותלוי לגמרי בסדר האירועים, בסיבתיות שמייצרת כל חידוש

אם נתחקה אחר מקורות השושלות הללו, אל מעבר למקור החיים על פני כדור הארץ אל מקור החיים ביקום, יהיה הגיוני לשער כי ״הזיכרון״ ביקום היה נמוך יותר בעבר. פירוש הדבר הוא שהיכולת של היקום ליצור אובייקטים בעלי ערך הרכבה גבוה היא מוגבלת באורח מהותי על ידי גודלו בזמן. ממש כפי שסמי-טריילר לא יכול להיכנס לחנייה מקורה ביתית רגילה, ישנם אובייקטים שהם גדולים מדי בזמן מכדי להתהוות בפרקי זמן שקטנים ממדד ההרכבה שלהם. כדי שביקום שלנו יתקיימו אובייקטים מורכבים כמו מחשבים, אובייקטים רבים אחרים צריכים להיווצר קודם לכן: כוכבים, יסודות כבדים, חיים, כלים, טכנולוגיה והמחשוב, כמושג מופשט. הדבר דורש זמן ותלוי לגמרי בסדר האירועים, בסיבתיות שמייצרת כל חידוש. היקום המוקדם אולי לא היה מסוגל לחישוביות המוכרות לנו כיום, פשוט בגלל שלא התקיימה אז היסטוריה מספקת. זמן צריך היה לחלוף ולקבל נוכחות חומרית באמצעות ברירה של אובייקטים החיוניים לייצור מחשב. הדבר נכון גם ביחד למבני לגו, מודלים גדולים של שפה, תרופות חדשות, ״הטכנוספרה״ וכל אובייקט מורכב אחר.

ההתחלה הייתה בגרגר חול, במולקולות סיליקון, והתוצאה של ההרכבה היא שבב מחשב, צילום של: Don Komarechka

ההשלכות של העובדה שלאובייקטים יש עומק חומרי מהותי בזמן הן מרחיקות לכת. ב-block universe, הכול נתפש כסטטי וקיים בו זמנית. פירוש הדבר הוא שאובייקטים אינם יכולים להיות מסודרים על פי עומק הזמן שלהם, והברירה והאבולוציה אינם יכולות לשמש כדי להסביר מדוע אובייקטים מסוימים קיימים ואחרים אינם קיימים. המשגה מחודשת של הזמן כממד פיזיקלי של חומר מורכב, וקביעה של כיווניות לזמן, עשויות לסייע לנו לפתור שאלות כאלה. הפיכת הזמן לחומרי באמצעות תיאוריית ההרכבה מאחדת מספר מושגים פילוסופיים קשים לתפישה הקשורים לחיים אל תוך מסגרת מדידה אחת. בלב התיאוריה הזו עומד מדד ההרכבה, האומד את מורכבותו של אובייקט. זוהי דרך מדידה לתאר את מושג הברירה האבולוציוני, על ידי הצבעה על החלופות הרבות שלא נוצרו כדי לאפשר היווצרות של אובייקט נתון. כל שלב בתהליך ההרכבה של אובייקט דורש מידע, זיכרון, כדי לפרט מה אמור או לא אמור להיות מוסף או להשתנות. בבנייה של טאג׳ מאהל מלגו, למשל, אנו חייבים לבצע שלבים בסדר מסוים, שכולם מובילים אותנו אל הבניין המוגמר. כל צעד לא נכון הוא טעות, ואם נטעה פעמים רבת מדי לא נוכל לבנות מבנה הניתן לזיהוי. העתקה של אובייקט דורשת מידע על השלבים שנדרשנו להם קודם לכם כדי לייצר אובייקטים דומים.

תיאוריית ההרכבה היא תיאוריה סיבתית של פיזיקה – כי המבנה הבסיסי של חלל ההרכבה – המגוון המלא של הקומבינציות הנדרשות – מסדר את הדברים בשרשרת סיבתית. כל שלב נסמך על השלב שנבחר לפניו, וכל אובייקט נסמך על אובייקט שנבחר לפניו

משום כך תיאוריית ההרכבה היא תיאוריה סיבתית של פיזיקה – כי המבנה הבסיסי של חלל ההרכבה – המגוון המלא של הקומבינציות הנדרשות – מסדר את הדברים בשרשרת סיבתית. כל שלב נסמך על השלב שנבחר לפניו, וכל אובייקט נסמך על אובייקט שנבחר לפניו. אם נסיר שלב כלשהו בדרך ההרכבה, האובייקט הסופי לא ייווצר. מילים פופולריות המקושרות לעתים קרובות לפיזיקה של החיים, כמו ״תיאוריה״, ״מידע״, ״זיכרון״, ״סיבתיות״ ו״ברירה״ הן מהותיות כי האובייקטים עצמם מקודדים את הכללים במסייעים להרכיב אובייקטים ״מורכבים״ אחרים. יתכן שכך מתרחשת האצה הדדית, שבה אובייקטים יוצרים זה את זה הדדית. באופן כזה, בתיאוריית ההרכבה, זמן הוא בעיקרו זהה למידע, זיכרון, סיבתיות וברירה. כל אלה הם פיזיקליים כי אנחנו מניחים שאלה תכונות של האובייקטים המתוארים בתיאוריה, ולא חוקים המתאים את האופן שבו האובייקטים הללו מתנהגים. תיאוריית ההרכבה מחזירה אל הפיזיקה את מושג הזמן המתפשט, הנע, על ידי כך שהיא מראה איך חלוף הזמן הוא אכן החומר שממנו עשויים אובייקטים מורכבים: גודל העתיד גדל עם המורכבות.

ארוכה הדרך, ארוכה מאוד: מחשב קוונטי של IBM (מ-2018). תצלום: IBM Research

ההמשגה החדשה הזו של הזמן פותרת שאלות פתוחות רבות בפיזיקה הבסיסית, ובראש וראשונה את הוויכוח בין הדטרמיניזם והמקריות. ידוע כי איינשטיין אמר ש״אלוהים אינו משחק בקובייה״, ופיזיקאים רבים עדיין נאלצים להגיע למסקנה כי הדטרמיניזם תקף וכי עתיד שלנו חתום. אבל הרעיון כי התנאים ההתחלתיים של היקום, או של תהליך כלשהו, קובעים אתה עתיד היה מאז ומתמיד בעייתי. בתיאוריית ההרכבה, העתיד קבוע מראש, אבל לא לפני שהתרחש. אם מה שקיים כעת קובע את העתיד, ומה שקיים כעת הוא גדול ועשיר יותר במידע מכפי שהיה בעבר, אז העתידים האפשריים גם הם גדלים ככל שהאובייקטים הופכים למורכבים יותר. זאת משום שקיימת בהווה יותר היסטוריה שממנה אפשר להרכיב מצבים עתידיים חדשים. ההתייחסות לזמן כאל תכונה מהותית של האובייקטים שהוא יוצר מאפשרת יצירה של חדשנות בעתיד.

יכולת ההתהוות של אובייקט – המרחק שאליו הוא מגיע לעומת הציפיות של הפיזיקאים על סמך אבני הבניין הבסיסיות שלו – תלוי בעומקו בזמן. הדבר מוביל אותנו אל עבר מקור החיים

חדשנות היא הכרחית להבנתנו את החיים כתופעה פיזיקלית. הביוספרה שלנו היא אובייקט שעל פי שעון הזמן קיים כבר לפחות 3.5 מיליארד שנים (מדד ההרכבה הוא צורה אחרת לאמוד זמן). אבל איך החלו החיים? מה אפשר למערכות חיים לפתח תבונה ומודעות? הפיזיקה המסורתית מציעה כי החיים ״התהווה״. מושג ההתהוות מתאר כיצד מבנים חדשים מופיעים כנראה ברמות גבוהות יותר של התארגנות מרחבית – מבנים שלא ניתן היה לצפות מרמות נמוכות יותר. הדוגמאות כוללת את רטיבותם של המים, שאינה ניתנת לחיזוי ממולקולות יחידות של מים, או האופן שבו תאים חיים נוצרים מאטומים יחידים שאינם חיים. אולם, האובייקטים שהפיזיקה המסורתית רואה ככאלה שהתוו הופכים לבסיסיים בתיאוריית ההרכבה. מנקודת מבט זו יכולת ההתהוות של אובייקט – המרחק שאליו הוא מגיע לעומת הציפיות של הפיזיקאים על סמך אבני הבניין הבסיסיות שלו – תלוי בעומקו בזמן. הדבר מוביל אותנו אל עבר מקור החיים, אבל אנו יכולים גם לנוע בכיוון ההפוך.

אם אנו צודקים, על פי תיאוריית ההרכבה, הזמן הוא בסיסי. שינוי אינו נמדד על ידי שעונים אלא הוא מקודד בשרשרות של אירועים שמניבות מולקולות מורכבות עם עומקי זמן שונים. האובייקטים הללו, שהורכבו מזיכרון מקומי ברחבי החלל הקומבינטורי, מתעתדים את העבר, פועלים בהווה וקובעים את העתיד. פירוש הדבר הוא שהיקום מתרחב בזמן, לא בחלל – או שאולי החלל מתהווה מן הזמן, כפי שעולה מתיאוריות עכשוויות רבות בתחום פיזיקת הקוונטים. אף שהיקום עשוי להיות דטרמיניסטי לגמרי, ההתרחבות שלו בזמן מרמזת כי העתיד אינו ניתן לחיזוי מלא, אפילו עקרונית. העתיד של היקום הוא בלתי יודע הרבה יותר מכפי שיכולנו לחזות.

יתכן כי הזמן הוא מארג הנע ללא הפסקה ובאמצעותו אנו חווים את הדברים מתאחדים ומתפרקים. אבל המארג הזה לא רק זז – הוא מתפשט. כשזמן הוא אובייקט, העתיד הוא גודלו של היקום.

שרה ווקר (Walker) היא אסטרוביולוגית ופיזיקאית תאורטית באוניברסיטה של אריזונה. היא סגנית מנהלת מרכז ביונד לחקר מושגי יסוד במדעי כדור הארץ והחלל. היא גם מרצה מן החוץ במכון סנטה פה ועמיתה במכון ברגורן.

לי קרונין (Cronin) הוא ראש המחלקה לכימיה באוניברסיטה של גלזגו, סקוטלנד ומנכ״ל חברת Chemify

AEON Magazine. Published on Alaxon by special permission. For more articles by AEON, follow us on Twitter.

תורגם במיוחד לאלכסון על ידי דפנה לוי

תמונה ראשית: מה צופן העתיד? מה יהיה עם הזמן? אילנית אדומת-עין ביער בקוסטה ריקה. תצלום: חוסה טורס גומס, אימג'בנק / גטי ישראל