יעקב בקנשטיין

אנטרופיה, הזמן והיקום המתפשט

יעקב דוד בקנשטיין, בסדרה של עבודות חלוציות, הציע קשר ישיר, עמוק ובלתי צפוי בין הגיאומטריה של אופק האירועים של חור שחור לבין מושג האנטרופיה התרמודינמית ותורת המידע. אם בשלב זה אתם מבקשים את זה בעברית או מחפשים דלת מילוט אתם שייכים ל 99.9% מאוכלוסיית העולם. האתגר שלי הוא שבסוף קריאת המאמר, שורות סתומות אלו תהיינה ברורות ברמת "אההה..."

נתחיל מהמושג שילווה אותנו לאורך הדרך והוא 'אנטרופיה' או בשפה קלה 'הבלגן הטבעי'. בטבע יש חוק לא כתוב: דברים תמיד שואפים להגיע לבלגן מקסימלי. תחשבו על החדר שלכם: אם לא תסדרו אותו באופן אקטיבי, הוא יהפוך לבלגן מוחלט. בפיזיקה קוראים לבלגן הזה אנטרופיה. כשהחדר מבולגן לגמרי ואי אפשר לבלגן אותו יותר - הוא הגיע ל'שיא הבלגן'. מצב הזה מכונה על ידי המדענים 'שיווי משקל תרמודינמי'.

על פי תאוריית 'המפץ הגדול' היקום התחיל במצב צפוף וחם, שכל החומר שבו התערבב מיד והגיע לשיא הבלגן כבר בשנייה הראשונה של המפץ. כאן נולדה הבעיה (הפרדוקס): אם היקום התחיל כשהוא כבר בשיא הבלגן, אז איך הוא המשיך להתפתח? הרי לפי חוקי הטבע, הזמן זז קדימה רק כשהבלגן הולך וגדל. אם הגענו לשיא כבר בהתחלה הרי שהזמן היה צריך 'לעצור' ולא היה אמור להיווצר שום סדר: לא כוכבים, לא גלקסיות ולא אנחנו.

התשובה לפרדוקס שהציע יעקב בקנשטיין היתה שהיקום מתרחב. אותו חדר מבולגן שהפך לאולם ענק כבר אינו בסטטוס של 'שיא הבלגן' כי נוצר מרחב שמאפשר לחומר להסתדר מחדש, ליצור כוכבים ומערכות שלמות. מכאן ככל שהיקום ימשיך לגדול פוטנציאל הבלגן גדל גם הוא - זה מה שמאפשר ליקום להמשיך להתפתח וזה מה שיוצר את 'חץ הזמן'. התחושה הברורה שלנו שיש עבר (שהיה קטן ומרוכז יותר) ויש עתיד (שבו היקום ממשיך להתרחב). לנו, באופן טבעי, נראה כי הזמן הולך מהעבר לכיוון העתיד, אנו זוכרים את העבר ומוטרדים מהעתיד. לא כך הדבר בקרב החבורה המוזרה הנקראת פיזיקאים. מבחינתם אפשר להפוך את כיוון הזמן ואין הבדל בין עבר לעתיד. ניתן לומר שהפתרון שיעקב בקנשטיין הציע מאפשר אפילו לפיזיקאים להיות מוטרדים מגורם הזמן.

אופק האירועים והחורים השחורים

יעקב עסק גם בעוד תחום שבו היה ציר זמן ברור והוא תחום חורים השחורים . חור שחור הוא מקום בחלל שבו יש כוח משיכה כל כך חזק, ששום דבר לא יכול לברוח ממנו אפילו לא אור דמיינו סירה ששטה בנהר לעבר מפל מים אדיר. ככל שהיא מתקרבת, הזרם נהיה חזק יותר. יש נקודה מסוימת שממנה והלאה, אפילו אם המנוע של הסירה יעבוד בכל הכוח, הזרם חזק מדי והיא תישאב למטה. בחור שחור יש "נקודת אל-חזור" דומה. מכיוון שאפילו אור (שהוא הדבר המהיר ביותר ביקום) לא מהיר מספיק כדי לברוח משם,

אותה נקודת אל-חזור מכונה 'אופק האירועים' (Event Horizon) – אותו קו בלתי נראה בים, שאיננו יכולים לראות מעבר כי כדור הארץ הוא עגול הוא הוא האופק, והאירועים הם כל דבר שקורה: כמו פנס שנדלק, חללית שזזה, או סתם נפילת חומר. אופק האירועים הוא הגבול שבו היקום הנגיש לנו פשוט מסתיים. המקום הזה נראה לנו פשוט חשוך לחלוטין - חור שחור. חורים אלו נוצרים כשכוכב ענק (הרבה יותר גדול מהשמש שלנו) מסיים את חייו וקורס לתוך עצמו. כל החומר העצוּם של הכוכב נדחס ונמחץ לנקודה אחת קטנטנה, וזה מה שיוצר את כוח המשיכה המטורף הזה. בעצם זהו שואב האבק החזק ביותר ביקום, שמוקף בחושך מוחלט כי הוא לא מאפשר אפילו לאור לצאת החוצה ולספר לנו מה יש בפנים. חורים שחורים אלו נתפסו על ידי הקהילה המדעית של תחילת שנות השבעים כעצמים פשוטים וקרים לחלוטין ואף כונו 'כוכבים קפואים' (Frozen Stars). ההנחה המקובלת הייתה כי אנטרופיה (אי-סדר) אינה רלוונטית ליצורים כבידתיים אלו, שכן די היה בשלושה פרמטרים גיאומטריים נצפים כדי לאפיין אותם באופן מלא.

בתחילה, נתקל בקנשטיין בהתנגדות נחרצת מצד ענקי הדור ובראשם הרוק סטאר של הפיזיקאים סטיבן הוקינג, אך הוא הוכיח שאותם חורים שחורים מגדירים חץ זמן, שכן עתידם מצוי בכיוון שלעברו נעשים החורים השחורים גדולים יותר.

המסלול האקדמי של בקנשטיין

יעקב דוד בקנשטיין נולד במאי 1947 במקסיקו סיטי. הוריו, יוסף ואסתר (לבית ולדסלבוצקי), היו פליטים יהודים פולנים שערב מלחמת העולם השנייה ברחו מאירופה הבוערת ומצאו מקלט באמריקה הלטינית. בראשית שנות השישים של המאה העשרים העתיקה המשפחה את מגוריה לארצות הברית. התחנה הראשונה הייתה במדינת טקסס, ולאחר מכן עברו לניו יורק, שם זכה בקנשטיין לחינוך קפדני במדעים מדויקים. את לימודי התואר הראשון החל בקנשטיין במכון הפוליטכני של ברוקלין ובשנת 1969 קיבל תואר מוסמך למדעים (M.Sc) בפיזיקה. את הדוקטורט עשה באוניברסיטת פרינסטון, תחת הנחייתו של הפיזיקאי הנודע ג'ון ארצ'יבלד ווילר שהיה ידוע בגישתו המחשבתית הבלתי שגרתית ובטביעת המונחים המדעיים שהפכו לנכסי צאן ברזל (ובהם 'חור שחור'). ווילר זיהה מיד את כישרונו של הסטודנט הצעיר והפנה אותו למחקר היסודות התיאורטיים של הפיזיקה הכבידתית הקיצונית. בשנת 1972 השלים בקנשטיין את הדוקטורט שעסק באנטרופיה של חורים שחורים, והציג לעולם את שלוש עבודותיו המשפיעות ביותר שנוסחו במהלך תקופה זו.

לאחר קבלת התואר השלישי, עבר בקנשטיין לאוניברסיטת טקסס באוסטין, שם שימש כעמית פוסט-דוקטורט במרכז ליחסות בין השנים 1972 ל-1974. במהלך שנים אלו העמיק את חקירותיו בפיזיקה גרביטציונית ובחן את יחסי הגומלין בין שדות קוונטיים למרחב-זמן מעוקם. בשנת 1974, מתוך תחושת שייכות לאומית ומניעים ציוניים עמוקים, החליט בקנשטיין להגשים את חלומו ולעלות לישראל, והצטרף ישירות לסגל המחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב בבאר שבע. עלייתו ופעילותו בנגב תרמו רבות לביסוס המחקר בתורת היחסות הכללית והאסטרופיזיקה בישראל בתקופה בה תחומים אלו היו בראשית דרכם בארץ. בשנת 1978, בגיל 31 בלבד, הועלה לדרגת פרופסור מן המניין, ובשנת 1983 מונה לראש המחלקה לאסטרופיזיקה באוניברסיטה, תוך שהוא מחזיק בקתדרה היוקרתית על שם רוברט וז'אן ארנו באסטרופיזיקה עד לשנת 1990.

בשנת 1990 עבר בקנשטיין לאוניברסיטה העברית בירושלים והשתלב כפרופסור מן המניין במכון רקח לפיזיקה וזכה למעמד של מנהיג אקדמי בולט. בשנת 1993 מונה לראש המחלקה לפיזיקה עיונית באוניברסיטה, ובהמשך החזיק בקתדרה לפיזיקה עיונית על שם מיכאל פולק. במהלך שנות עבודתו בירושלים, הקדיש בקנשטיין מאמצים כבירים להוראה והפך למושא להערצה לאחר שידע לפשט כל נושא מורכב ולהנגישו לתלמידיו. בשנים 2010-2009 שימש כחוקר אורח במכון למחקר מתקדם (IAS) בפרינסטון, שם חזר לשתף פעולה עם בכירי הפיזיקאים העיוניים בעולם.

פרופ' בקנשטיין, בדיוק כמו פרופסור ישעיהו ליבוביץ', ידע לשלב בין מדע לדת ולא ראה סתירה כלשהי בין תפיסת עולמו המדעית לבין אמונתו באל. פעמים רבות צוטט כמי שאמר: "אני מסתכל על העולם כתוצר של העבודה של הקדוש ברוך הוא. הוא קבע חוקים מאוד מסוימים ואנחנו נהנים מאוד לגלות אותם בעבודה מדעית לראות איך הכל משתלב ביחד." יעקב נישא לבלהה ונולדו שלושה ילדים: יהונדב, אוריה ורבקה, שכולם הלכו בעקבות אביהם ופנו לקריירה מדעית. בנו, יהונדב בקנשטיין, הצטרף לימים כחבר סגל בפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון בחיפה.

בקיץ 2015, במהלך ביקור אקדמי בהלסינקי, נפטר פרופ' בקנשטיין באופן מפתיע מהתקף לב. מותו הותיר חלל עצום בקרב אנשי הקהילה המדעית הבינלאומית והישראלית.