يبدو الوقت خطيًا بالنسبة لنا: نتذكر الماضي، ونختبر الحاضر، ونتنبأ بالمستقبل، ونتحرك تباعًا من لحظة إلى أخرى. لكن لماذا تسير الأمور على هذا النحو، وهل يمكن أن يكون الزمن في النهاية نوعًا من الوهم؟ في هذه الحلقة عالم الفيزياء الحائز على جائزة نوبل فرانك ويلتشيك يتحدث مع المضيف ستيفن ستروغاتز حول "سهام" الزمن العديدة ولماذا يبدو معظمها غير قابل للرجوع، وجوهر الساعة، وكيف غيّر أينشتاين تعريفنا للوقت، والعلاقة غير المتوقعة بين الوقت ومفاهيمنا حول ماهية المادة المظلمة.

استمع Apple Podcasts, سبوتيفي, Google Podcasts, TuneIn أو تطبيق البث المفضل لديك ، أو يمكنك ذلك دفقه من كوانتا.

النص الكامل

ستيفن ستروجاتز: كلنا ندرك مرور الوقت. لقد شعرنا بذلك في تغير الفصول، وإيقاعات الأغاني والرقص، وأطفالنا يكبرون ويكبرون. شئنا أم أبينا، الوقت جزء أساسي من الحياة. وعلى مدى آلاف السنين، نظر العلماء عمومًا إلى الوقت باعتباره شيئًا أحادي البعد، أو سهمًا يستمر في التحرك للأمام، ولا يتراجع أبدًا. ولكن كلما نظرنا إلى الزمن بشكل أقرب، أصبح الأمر أكثر تعقيدًا وغموضًا. ينقسم العلماء اليوم حول ما إذا كان الزمن، أو تجربتنا معه على الأقل، حقيقيًا أم وهميًا. ربما نحن لا نتحرك عبر الزمن حقًا. ربما الحاضر والماضي والمستقبل كلها حقيقية على قدم المساواة.

[مسرحيات الموضوع]

أنا ستيف ستروجاتز، وهذا هو البودكاست "The Joy of Why". مجلة كوانتا، حيث شريكي في الاستضافة، جانا ليفين، وأتناوب في استكشاف بعض أكبر الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها في الرياضيات والعلوم اليوم.

في هذه الحلقة سنسأل الفيزيائي النظري فرانك ويلتشيك، "ما هو الوقت؟" وكيف عرفناها في الماضي؟ وكيف يمكن لفيزياء الكم أن تعيد تعريفها في المستقبل؟

فرانك هو أستاذ هيرمان فيشباخ للفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وأستاذ متميز في جامعة ولاية أريزونا، وأستاذ في جامعة ستوكهولم. إنه الفائز في جائزة نوبل 2004 في الفيزياء وجائزة تمبلتون لعام 2022. وهو مؤلف عدد من الكتب، آخرها، الأساسيات: عشرة مفاتيح للواقع. فرانك، مرحبًا بك في "متعة السبب".

فرانك ويلكزيك: شكرًا لك. سعيدا أن أكون هنا.

ستروجاتز: حسنًا، أنا سعيد جدًا بالدردشة معك مرة أخرى. أحببت كتابك كله أساسيات، وكان الشرح الذي قدمته عن الوقت وكيفية التفكير في الوقت بالنسبة لي من أكثر الشرح المؤثر والجميل. لكني أود أن أبدأ بنوع من الأسئلة الشخصية حول تجربتك مع الزمن، تمامًا كإبن وشخص، كزوج، لا أعرف. كيف تختبر الوقت كشخص، وهل يختلف عن تجربتك له كعالم؟

ويلتشيك: حسنًا، لقد واجهت الوقت هذا العام بطريقة لطيفة جدًا. هذه هي الذكرى الخمسين لبحثي العلمي الأول وأيضًا، وليس من قبيل الصدفة، لزواجي. لقد كان ذلك 50 عامًا…

ستروجاتز: (يضحك) رائع.

ويلتشيك: ولقد تأملت في مرور الوقت وسافرت عبر الزمن بطريقة ما لإعادة النظر في تلك اللحظات المؤثرة.

إنه سؤال مثير للاهتمام للغاية، حيث أن الوقت كما يظهر في معادلاتنا هو... حسنًا، إنه المتغير الرئيسي، الذي يتكشف العالم في ظله. لذا فهو رمز، t، الذي يظهر في معادلاتنا. ومن خلال اتباع المعادلات، نحصل على تلميحات حول ماذا t يكون. وهذا يخبرك ما هي خصائصه، كما تنعكس في الأشياء التي نراها حولنا وسلوكها.

لكن الزمن له حياة خاصة به، إذا جاز التعبير، لأنه يمكنك مناقشة خصائصه بشكل مستقل عن الأشياء التي يؤثر عليها، ولا سيما تماثله.

لكن بالعودة إلى تجربة الزمن مقابل التعريف المادي للوقت - الشيء الذي يسبب مشكلة، حرفيًا، هو أنه من خلال تخزين معلومات حول الماضي والتفكير في المستقبل، يمكننا السفر عبر الزمن بطرق مادية الأشياء التي تخضع لمعادلات الفيزياء لا تفعل ذلك حقًا.

فقط الجيران في الوقت المناسب يتحدثون مع بعضهم البعض في المعادلات. ولكن في أذهاننا، يمكننا تخزين الذكريات. أو يمكننا أن نفكر في المستقبل. يمكننا حقا السفر في الوقت المناسب.

ستروجاتز: ذلك رائع. أن هناك شيئًا ما في المعادلات يجعلنا ننظر إلى الأمام بشكل متناهٍ فقط. كما قلت، الجيران في الوقت المناسب هم ما يهم، أليس كذلك؟ تتنبأ الظروف الحالية بما سيحدث في اللحظة المجاورة في المستقبل.

ويلتشيك: نعم، بالتأكيد في إطار القانون الأساسي المفهوم حاليًا، هذه هي الطريقة التي يعمل بها. من الممتع التكهن بأنه في النهاية ربما يكون هناك هيكل أكثر عالمية، وأن هناك ظروفًا لم نستوعبها بعد والتي تجعل انفتاح الكون حتميًا وفريدًا من نوعه.

ولكن كما هو الحال الآن، تخبرك القوانين عن كيفية تطور حالة العالم في لحظة ما إلى ما هو عليه في اللحظة التالية.

ستروجاتز: ما هي الألغاز الكبيرة المتعلقة بالوقت؟

ويلتشيك: أعتقد أن أحد الألغاز المثمرة للغاية، وأعتقد أننا ربما أحرزنا الكثير من التقدم في توضيح الأمر، هو أن القوانين الأساسية للفيزياء تبدو وكأنها يمكن عكسها تقريبا في الوقت المناسب، على الرغم من أن التجربة اليومية للعالم ليست كذلك.

وهذا يطرح سؤالين، وهما: كيف يمكنك الانتقال من القوانين الأساسية التي تتمتع بخاصية الانعكاس إلى التجربة، والتي لا تمتلكها بشكل كبير؟

ومن ثم، ثانيًا، لماذا تمتلك القوانين تلك الخاصية في حين أنه ليس من الضروري وصف الخبرة فحسب، بل إنه نوع من الإحراج؟ إنه يطرح مشكلة، تحديًا. كيف يمكننا التوفيق بين خاصية القوانين هذه والتجربة، التي تبدو، إن لم تكن تتعارض، على الأقل في حالة توتر معها.

هاتان مشكلتان كبيرتان، وأعتقد أنه تم حلهما إلى حد كبير، في الواقع، لكنهما لا يزالان مثمرين للغاية، خاصة المشكلة الأولى: لماذا القوانين بهذه الطريقة؟

ومن ثم، هناك مشكلة أكبر، وهي - أو مشكلة أكثر غموضًا وعمقًا، هي الطريقة التي نصوغ بها وصفنا للعالم الآن - من حيث القوانين التي تخبرك كيف يتطور العالم من لحظة إلى أخرى - وهي أن مكتمل؟

ويبدو بطريقة غير مرضية فلسفيا لأنه يقسم وصف العالم إلى قسمين. إحداهما هي المعادلات والأخرى هي حالة العالم في وقت ما والتي يتعين عليك إدخالها بطريقة ما لبدء الأمور.

ستروجاتز: لذلك دعونا نرى ما إذا كنت سأحصل على هذا. الأسئلة تدور حول لماذا تتمتع القوانين بخاصية شبه القابلية للانعكاس.

ويلتشيك: بلى.

ستروجاتز: يمكننا طرح مسألة "المعادلات مقابل الشروط الأولية".

ويلتشيك: نعم نعم.

ستروجاتز: سيعرف بعض الأشخاص أنك تقول الشروط الأولية دون أن تقولها.

ويلتشيك: حق.

ستروجاتز: وهناك أيضًا هذا المصطلح، "سهم الوقت"، حول - يبدو الأمر في تجربتنا وكأن الوقت يتدفق للأمام فقط. وأنت تقول أن المرء يشعر وكأنه يتمتع بحل جيد. نعتقد أننا نفهم سهم الزمن.

ويلتشيك: أعتقد ذلك. إنها قصة طويلة أصبحت أكثر إقناعا بمرور الوقت. لكنني أعتقد أنه من الواضح أن هناك العديد من أسهم الزمن المختلفة، والعديد من الطرق المختلفة التي يختلف بها المستقبل عن الماضي. هناك بالتأكيد ظاهرة نفسية. وأيضا القانون الثاني للديناميكا الحرارية. إنه يخبرك أن الأشياء تصبح أكثر عشوائية، بشكل تقريبي للغاية، ولكن لديها أيضًا صياغة دقيقة. هناك سهم إشعاع الزمن، ذلك الإشعاع يميل إلى الخروج من الأشياء وعدم الدخول. هناك سهم الزمن المرتبط بتطور الحياة. والعديد من الأشياء الأخرى التي يمكنك اختراعها بسرعة. في كل مكان تنظر إليه، هناك سهام الزمن. هناك عدم تناسق بين المستقبل والماضي.

لكنني أعتقد أنهم جميعًا الآن - يمكننا جمعهم جميعًا في سهم واحد. تمامًا مثل "الحلقة الواحدة التي تحكمهم جميعًا"، هناك سهم واحد يحكمهم جميعًا، وهو سهم الزمن الكوني.

ولذا، قد تقول أننا حللنا اللغز، لكن أعتقد أنه سيكون من الأدق القول أننا جمعنا كل الألغاز في لغز واحد، وهو: لماذا حدث الانفجار الكبير في المقام الأول؟

تحب الجاذبية أن تتكتل الأشياء، لكن الكون المبكر في وقت الانفجار الكبير في الفضاء كان موحدًا للغاية. لذلك كانت الجاذبية بعيدة عن التوازن. وما يحدث منذ ذلك الحين هو أن الجاذبية تكافح من أجل إعادة التوازن.

فتتوسع المادة وتبرد، ثم تتجمع وتكوّن (في النهاية) نجومًا تبدأ في تحرير الطاقة النووية وكواكب يمكن أن تتطور عليها الكائنات. هناك قصة معقولة جدًا وغنية بالتفاصيل والتي تربط جميع الأسهم بسهم واحد من التطور الكوني.

ستروجاتز: أجد ذلك - لست متأكدًا حتى من الصفة التي سأضعها على هذا، ولكن فكرة أن تجربتنا مع الزمن تتدفق فقط من الحاضر إلى المستقبل وأن البيض لا يفكك نفسه، وهذا النوع من الأشياء، أن هذا هو مرتبط بطريقة ما بتطور الكون بأكمله من حالته الموحدة الحارة إلى حالته المتكتلة الحالية، كما تعلمون، النجوم المحملة بالمجرات... من الغريب أن نعتقد أن تلك الأشياء التي تبدو بعيدة جدًا تؤثر على آلام ظهري الآن بعد أن أصبحت أيها الرجل العجوز، هل تعلم؟ مثل، حقا، أليس كذلك؟ في النهاية، هذا ما تقوله.

ويلتشيك: إنها بالتأكيد ليست قصة واضحة، وبدون جبال من الأدلة التي تم تطويرها على مدار مسار العلم الحديث بأكمله، ستكون القصة مذهلة. لذا فهو أمر مذهل تمامًا.

ستروجاتز: إذا لم تتغير الأشياء، كما لو تمكنا من تخيل تجربة فكرية حيث لم يتغير شيء، فهل سيظل الزمن موجودًا؟ هل الزمن موجود منفصل عن الأحداث؟ أم أن الزمن هو نوع من المقياس لحقيقة أن الأمور تتغير؟

ويلتشيك: حسنًا، يمكنك بالتأكيد أن تتخيل - وفي الواقع، يمكنك بناء حلول للقوانين الأساسية للفيزياء - متسقة مع جميع المبادئ الأساسية التي نعرفها حيث لا يحدث شيء، و t لا يزال أحد مكونات تلك المعادلات -

ستروجاتز: إذن الكون الفارغ لا يزال لديه الوقت؟

ويلتشيك: نعم، سيظل الوقت في المعادلات. ويمكنك أن تطرح، حتى في هذه الحالة، سؤالًا عما سيحدث إذا أحدثت اضطرابًا بسيطًا في هذا التوازن العالمي؟ وبعد ذلك سيتم كشف النقاب عن الوقت. لذلك سيكون الوقت كامنًا نوعًا ما، لكنه لا يزال يبدو ضروريًا في صياغة الوضع. نحن نتحدث عن شيء مستقل عن الزمن، لكن لا يمكنك صياغة ذلك دون القول بأن هناك شيئًا كان من الممكن أن يعتمد عليه ولكنه لا يعتمد عليه.

ستروجاتز: إنها بالفعل إجابة مثيرة للاهتمام. أنا مندهش قليلاً أنك تقول ذلك. أعني أنك تحب الفلسفة، على ما أذكر. أعتقد أنك درست القليل من الفلسفة، أليس كذلك؟

ويلتشيك: هواة جدًا، بطريقة هواة جدًا. لكنني في الواقع كنت أفكر في هذا الأمر مؤخرًا، على المستوى الفني. لكن فكر في النهر، تدفق النهر. هناك وصفان مختلفان يمكنك تخيلهما لنهر يتدفق بطريقة منتظمة للغاية.

لذلك، في أحد الأوصاف، والذي يسمى تقنيًا وصف أويلر، يمكنك تحديد سرعة التدفق في كل موضع، وهذا من شأنه أن يعطيك وصفًا كاملاً لتدفق النهر. وإذا كان التدفق منتظمًا، فقد لا يحدث شيء. السرعات لن تتغير مع مرور الوقت.

ستروجاتز: حق.

ويلتشيك: ومع ذلك، هناك وصف آخر، مرتبط باسم لاغرانج. إنه نوع من الوصف الداخلي حيث يمكنك متابعة تدفق جزيئات الماء الفردية. ثم تتحرك تلك العينات بالسرعة المحلية. ومع مرور الوقت، يصبحون في مكان مختلف، لذلك يرون سرعة مختلفة. على الرغم من أن السرعة كانت في الأصل دالة للموقع، ولكن ليس للزمن. لكن إذا نظرنا إليها من الداخل، فعندما تتبع التدفق نفسه، فإن الأمور تحدث.

إذن كلا الوصفين صحيحان. إذا أطلقنا على هذا النهر اسم الكون، فإن الكون بمعنى ما لا يتغير. لكن كما حدث من الداخل، فإن الأمر يتغير. هناك مساحة كبيرة للتطور الديناميكي عندما تكون داخل النهر وتسير مع التيار.

وأعتقد أنه قد يكون على مستوى عميق ما يحدث في الكون. إذا كنت ترغب في الحصول على وصف داخلي - وصف لاغرانج، بدلاً من وصف أويلر - فهذا ليس تناقضًا. إنها مجرد طريقة مختلفة للنظر إلى نفس الشيء، نفس الواقع من الداخل أو من الخارج. وجهة نظر عين الإنسان مقابل وجهة نظر عين الله.

ستروجاتز: أريد أن أستكشف معكم، كما تعلمون، مفاهيم مختلفة للزمن في تاريخ العلم ونحن ننتقل، على سبيل المثال، من نيوتن إلى أينشتاين. لكن في هذه اللحظة، أود فقط أن أسألك - ومن المضحك، بالطبع، أننا نستمر في الحديث عن الوقت بينما نناقش الوقت. كما قلت، "في هذه اللحظة، سأطرح عليك سؤالاً حول الوقت".

ويلتشيك: من الصعب الهروب، أليس كذلك؟

ستروجاتز: من الصعب الهروب!

ويلتشيك: هذا ما قالوه. إذا كان وهمًا، فهو وهم مقنع جدًا.

ستروجاتز: إنه وهم مقنع للغاية. إذن هذا ما كنت أقصده: أن أينشتاين، كما نعلم، تأثر كثيرًا بعالم/فيلسوف اسمه ماخ، إرنست ماخ. نحن نتحدث عن رقم ماخ في الصوت، ولكنه نفس رقم ماخ. حسنًا، لكن هكذا: ماخ. هل كان هذا الرجل مهتمًا جدًا بالتعريفات العملية للأشياء. لذا، أينشتاين، وهو جالس هناك في مكتب براءات الاختراع، يفكر في الوقت، يبدأ بالقول: "الوقت هو ما تقيسه الساعات".

وأنت تكتب الكثير عن ذلك في أساسيات، واعتقدت أن هذا كان بمثابة تناول مثير للاهتمام للأشياء. تريد - هل يمكنك مناقشة هذه الفكرة؟ مثلاً، هل ينبغي لنا أن نفكر في الوقت باعتباره ما تقيسه الساعات، بدلاً من بعض التعريفات الأكثر غموضاً للوقت؟

ويلتشيك: حسنًا، أعتقد ذلك، إذا أردنا أن نفكر بطريقة علمية ومثمرة بشأن الوقت على المستوى الأساسي. لكن اسمحوا لي أن أؤهلها قليلاً.

ستروجاتز: يحتاج إلى بعض التفريغ.

ويلتشيك: الكلمة الإنجليزية "الوقت" تغطي الكثير من الأمور ويمكن استخدامها بمعاني مختلفة، تمامًا مثل "الطاقة"، حسنًا؟ الطاقة تعني شيئًا محددًا جدًا في سياق المناقشة العلمية. لكن في اللغة المشتركة، يكون لها معنى أوسع بكثير وله أيضًا حواف غامضة.

لذا، وبالمثل بالنسبة للوقت، عندما أقول، "الوقت هو ما تقيسه الساعات"، فأنا أشير إلى المفهوم العلمي للوقت وهو مفهوم مثمر للغاية ويمكن تنفيذه بعيدًا جدًا بدقة كبيرة. ولفهم هذه العبارة بشكل صحيح، عليك أيضًا توسيع مفهوم ماهية الساعة.

الساعة هي أي شيء في العالم يتغير بأي شكل من الأشكال، لأن القوانين تصاغ من حيث كيفية تغير الأشياء كدالة لهذا المتغير t. وكل شيء يتغير، والأشياء تتغير بطرق مختلفة. ينتقلون. يخضعون لتفاعلات كيميائية. إنهم يتقدمون في السن بالمعنى البيولوجي. والبيان الرائع هو أن هذا المتغير الوحيد في المعادلات يكمن وراء كل شيء.

لذلك يمكنك الحصول على ساعات تعمل وفقًا لمبادئ مختلفة جدًا. يمكنك الحصول على أشياء تراقب حركة الأرض حول الشمس. يمكنك الحصول على أشياء تراقب تدفق المياه، والساعات المائية. يمكن أن يكون لديك ساعة تعتمد على المشاهدة كيف يشيخ شخص ما، يشيخ الإنسان. لن تكون هذه ساعة دقيقة جدًا، ولكن من حيث المبدأ، وإذا تعمقت في الكيمياء الحيوية، يمكن أن تكون دقيقة. العديد والعديد من أنواع الساعات المختلفة، لكنها جميعها متسقة مع بعضها البعض.

لذلك، عندما أقول أن الوقت هو ما تقيسه الساعات، فهذا أكثر من مجرد بيان عملي. لديها محتوى غير تافهة للغاية. تقول أن جميع الساعات التي تمت معايرتها وفهمها بشكل صحيح، بغض النظر عن المبدأ الذي تعتمد عليه، ستكون قادرة على التوصل إلى اتفاق ثابت حول الوقت.

ستروجاتز: سنكون الظهر.

[فاصل لإدراج الإعلان]

ستروجاتز: مرحبًا بكم مرة أخرى في "فرحة السبب".

بالانتقال قليلاً من الفلسفة هنا إلى تاريخ العلم، يبدو لي أن جزءًا كبيرًا من قصة نجاح العلم، خاصة فيما نسميه غالبًا الثورة العلمية في القرن السابع عشر وما بعده، كان له علاقة بالثورة العلمية. القدرة على البدء في قياس الوقت بشكل جيد. ليس من قبيل الصدفة أن غاليليو وهيجنز ونيوتن، وكما تعلمون، من خلفهم كانوا موجودين في نفس الوقت الذي بدأت فيه صناعة الساعات البندولية الجيدة. وأنه يمكنك الحصول على قوانين الحركة بطريقة كنت ستواجه صعوبة في الحصول عليها قبل أن يكون لديك أجهزة جيدة لقياس الوقت.

هل تعتقد أن هذا صحيح؟ أن - أن تقدمنا ​​العلمي يعتمد حقًا على القدرة على قياس الوقت جيدًا؟

ويلتشيك: لقد ساعد بالتأكيد. وخاصة إذا قمت بتوسيع تعريف الوقت ليشمل الحركة المنتظمة للكواكب، مثل قانون كيبلر الذي ينص على أن الكواكب تكتسح مساحات متساوية في أزمنة متساوية. وبالطبع كانت هذه الملاحظة مركزية في صياغة قوانين كبلر، والتي أدت، جنبًا إلى جنب مع دراسة جاليليو للبندول والأجسام المتساقطة، إلى ذروة الثورة العلمية: صياغة نيوتن للميكانيكا الكلاسيكية وقوانين الجاذبية. لذا، نعم، كل هذا يعتمد إلى حد كبير على الاعتبارات التي جاءت في الوقت المناسب بشكل عام.

ستروجاتز: لذا، إذا تقدمنا ​​سريعًا إلى الأمام - بالطبع، مازلنا متمسكين بهذه التورية الزمنية هنا - نتقدم الآن إلى أينشتاين. في حالة أينشتاين، بدأنا نواجه بعض الأمور الغريبة جدًا - بالنسبة للعديد من الأشخاص، تحدث أشياء غير متوقعة.

ويلتشيك: حسنًا، في صياغة وصف أكثر ثراءً لتفاعل الجاذبية الذي يتجاوز الفهم النيوتوني، وحتى قبل ذلك، في محاولة تحقيق العدالة في تناظر معادلات الديناميكا الكهربائية، قاد أينشتاين إلى مفهوم أكثر مرونة للزمن.

لذا اسمحوا لي أن أبدأ بالنظرية النسبية الخاصة، التي جاءت أولاً تاريخيًا. إذا كنت في معمل مغلق، وقمت للتو بإجراء تجارب داخل مختبرات تتحرك بالنسبة لبعضها البعض بسرعة ثابتة، فسوف تصل إلى نفس القوانين، بغض النظر عن تلك السرعة. هذا هو جوهر النسبية الخاصة. لكن للقيام بذلك، اتضح أن ما يسميه أحد الأشخاص زمنًا، يسميه الآخر مزيجًا من المكان والزمان. إنه خليط بسيط رياضيا. وهذا ما نسميه مزيجًا خطيًا، لكنه بالتأكيد مزيج من المكان والزمان. لذا، يقدم هذا فكرة أن هناك بعض المرونة في تحديد الوقت.

يمكنك الحصول على قوانين فيزيائية صالحة بنفس المحتوى باستخدام أي منهما لبعض الوقت t أو زمناً مختلفاً t $لاتكس ^{برايم}$ [t-prime]، وهذا خليط من t و x، حيث x هو الموقف. إذن تلك كانت النسبية الخاصة.

وبعد ذلك كان ذلك بمثابة مفاجأة كبيرة. لأن نيوتن، على سبيل المثال، كان يعتقد أن الزمن شيء واحد. كان نيوتن لاهوتيًا إلى حد كبير، وكان يعتقد بشدة أن ما كان يفعله في عمله هو فهم كيفية عمل الله. وكان يعتقد أن الله، كما تعلمون، يفرض وقته النفسي على العالم، على ما أعتقد. كان هناك — فكرة إمكانية وجود تعريفات صحيحة مختلفة للوقت كانت غريبة جدًا على نيوتن.

ولكن هذا ما افترضه أينشتاين، وهذا يسمح لك بالحصول على صيغ لطيفة جدًا لقوانين الفيزياء والعثور على الانتظام فيها والذي سيكون من الصعب جدًا العثور عليه بطريقة أخرى.

ومن ثم، في النسبية العامة، يصبح الأمر أكثر غرابة لأنك تسمح لأشخاص مختلفين في أماكن مختلفة باختيار ما يناسبهم t الإصدار، أي من هذه الأوقات للاختيار. وهذا ما يسمى ثبات لورنتز المحلي. يمكن لكل شخص اختيار المزيج الخاص به من المساحة والوقت لاستخدامه. وعليك صياغة المعادلات بطريقة تسمح بهذه الاختيارات. لديهم ما يسمى التماثل. على الرغم من أن صياغة المعادلات ستبدو مختلفة تمامًا إذا قام الأشخاص باختيارات مختلفة، إلا أن محتواها سيكون هو نفسه. والمعادلات الخاصة جدًا فقط هي التي تمتلك هذه الخاصية.

وتمكن أينشتاين، في إنجاز عبقري لا يصدق، من استخلاص نظرية محسنة للجاذبية من هذا المبدأ. ويندمج الزمن مع المكان، ويمكن أن ينحني الزمكان بأكمله. هذه التأثيرات صغيرة جدًا جدًا على المقاييس المختبرية. لكن عندما تتحدث عن المقاييس العيانية - مقياس الأرض ومجال الجاذبية الأرضية، أو الكون، أو في الظروف القاسية جدًا، مثل حيث توجد تركيزات هائلة جدًا من الكتلة التي تحني الفضاء في الثقوب السوداء. ثم تأتي أشكال زمنية أكثر مرونة أو قابلة للانحناء أو حتى سائلة.

ستروجاتز: همم. أعني أن هناك العديد من اختبارات النسبية، وتجارب حمل الساعات الذرية على متن الطائرات. إذا لم يسمع الناس هذه الأشياء التي ذكرتها للتو، فمن المحتمل أن يبدو الأمر خياليًا جدًا. لكن لدينا أدلة جيدة جدًا وقوية على أن جميعها صحيحة، بما في ذلك حتى أدوات GPS التي نستخدمها في سياراتنا. كما تعلمون، أعني، إذا كانت النسبية العامة والخاصة، إذا لم نأخذ في الاعتبار تلك...

ويلتشيك: حسنًا، لن يعمل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، لأنه من المهم جدًا الحصول على الوقت الصحيح تمامًا في نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). في عمل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، يمكنك استخدام توقيت دقيق جدًا لاستنتاج المسافات، اعتمادًا على حقيقة أن سرعة الضوء هي ثابت عالمي. أنا أبالغ في التبسيط قليلاً، لكن هذه هي الحقيقة في الأساس، نعم.

ولأن سرعة الضوء كبيرة جدًا جدًا مقارنة بالسرعات اليومية، فإن الأخطاء الصغيرة جدًا في قياس الوقت تنعكس في تغيرات كبيرة في المسافة. لذلك، إذا ارتكبت أخطاء صغيرة في كيفية التعامل مع الوقت، فإنها تتضخم إلى أخطاء أكبر بكثير، أخطاء مهمة في الفضاء. لذلك عليك أن تكون دقيقًا حقًا بشأن تعاملك مع الوقت حتى تجعل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) نظامًا مفيدًا.

ستروجاتز: حسنًا، حقيقة أن الأقمار الصناعية موجودة في الأعلى، حيث يكون مجال الجاذبية أضعف. كما تعلمون، هناك كل هذه الأقمار الصناعية التي تعد جزءًا من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وهي تتحرك بسرعة كبيرة هناك. كل هذه الأشياء يجب أن تؤخذ في الاعتبار ويتم تصحيحها، وأعتقد أن هذا مثال رائع لكيفية اعتقادك بأن أينشتاين يدور حول الثقوب السوداء فقط أو الكون بأكمله، ولكن...

ويلتشيك: حسنًا، من اللافت للنظر حقًا أنك إذا رجعت إلى ورقة أينشتاين الأصلية عن النسبية الخاصة، فهو يتحدث عن مزامنة وربط المحطات المختلفة، إذا أردت، حتى يتمكنوا من الاتفاق على تعريف المكان والزمان. ومع القليل من روح الدعابة، يمكنك أن ترى أن ما يصفه هناك هو نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

ستروجاتز: نجاح باهر.

ويلتشيك: كما تعلمون، يتنقل الأشخاص بالقضبان والساعات ويستخدمون سرعة الضوء كوسيلة للمزامنة، ومن ثم قياس المسافة. إنه بالضبط — إنه نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، أليس كذلك.

ستروجاتز: أوه، لم أفكر في هذا أبدا. هناك أشياء كثيرة أريد أن أسألك عنها. ماذا عن المادة المظلمة؟ أعلم أن هذا أحد الأشياء المفضلة لديك. دعونا نسمع عن ذلك. ما علاقة المادة المظلمة بالزمن؟

ويلتشيك: منطقيًا، في أحسن الأحوال، لها علاقة ضعيفة بالوقت، لكنها قصة مثيرة للاهتمام للغاية وأنا منخرط فيها بشدة في الوقت الحالي. لذا المادة السوداء هي ملاحظة أن هناك شبكة كاملة من الظواهر حيث يبدو أن هناك جاذبية وقوة جاذبية أكبر مما يمكننا تعقبه حتى وجود المادة.

يبدو إلى حد كبير أنه يمكن أن يكون نوعًا جديدًا من الجسيمات التي تتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع أنواع المادة التي كنا نتعامل معها منذ عقود ولكن لا تزال تمارس الجاذبية. وأعتقد أنني أعرف ما هي، وهناك نوع من الإجماع الناشئ على أن هذه فكرة جيدة -- شيء يسمى أكسيونات. والآن، أخيرًا، يأتي الارتباط بالزمن.

تم إدخال الأكسيونات في الفيزياء ليس كوسيلة لتوليد المادة المظلمة، ولكن كوسيلة لمعالجة الخاصية الغريبة للقوانين: أنها متشابهة جدًا أو تقريبًا تحتوي على نفس المحتوى إذا قمت بتغيير اتجاه الزمن. لذلك، على الرغم من أن التجربة العيانية لا تتصرف بهذه الطريقة، إلا أن القوانين المجهرية تتصرف بهذه الطريقة.

لماذا؟ لدينا قصة جميلة جدا عن ذلك.

إن مبادئ النسبية وميكانيكا الكم والتناظرات العميقة للنموذج القياسي - ما يسمى التناظرات القياسية التي تحكم جوهر القوى الأخرى - تقيد بقوة التفاعلات التي يمكن أن تحدثها المادة. لذا، إذا افترضت أن هذه المبادئ صحيحة، فستحصل على قيود قوية على قوانين الفيزياء.

وقد اتضح أنه كنتيجة عرضية تقريبًا لتلك القيود، فإن القوانين تعمل تقريبًا بنفس الطريقة للأمام والخلف بمرور الوقت. لذا فهذا انتصار هائل للفهم النظري.

لكنها لم تنته تماما. وهناك تفاعل واحد يتوافق مع القوانين الأساسية، المبادئ الأساسية، يجب أن أقول، والتي من شأنها أن تخضع لكل تلك المبادئ، ولكن لا يمكن عكسها مع مرور الوقت. وقد وجد أن هذا التفاعل أيضًا صغير جدًا جدًا.

لذا، لكي نفهم ذلك بطريقة عميقة، فإن الفكرة الرائدة هي تقديم مبدأ كبير آخر. هذا شيء يسمى تناظر بيتشي-كوين بعد الفيزيائيون الذين قدموه.

ثم أدرك البعض منا أنه نتيجة لهذا المبدأ الجديد، هناك تنبؤ بأنه يجب أن يكون هناك نوع جديد من الجسيمات الذي أسميه الأكسيون، والذي يتمتع بخصائص رائعة للغاية. ومن المتوقع أن يتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع المادة العادية. ومن ثم ندرك أنه إذا قمت بتشغيل المعادلات خلال الانفجار الكبير، فسيتم إنتاجه بالطريقة الصحيحة لتكوين المادة المظلمة التي لاحظها علماء الفلك.

ومن المشجع جدًا، على أقل تقدير، أنه يعالج تلقائيًا هذه المشكلة الكونية الأخرى. والشيء الرائع الذي حدث خلال العقود القليلة الماضية - ولكن بشكل خاص الآن بمعدل متسارع - هو أنه من الممكن تصميم تجارب يمكنها اكتشافها إذا كانت موجودة هناك.

التجارب صعبة للغاية. إنها مثل مشكلة اكتشاف النيوترينوات، ولكنها أصعب - ربما بمجرد أن نتعلم الحيل الصحيحة، لن يبدو الأمر صعبًا بعد الآن. لكن هذه التجارب قيد التنفيذ. سنعرف المزيد خلال خمس إلى عشر سنوات.

ستروجاتز: يعجبني أنك ستنهي عرضنا هنا بذكر خمس إلى عشر سنوات لأنني أريد أن أختتم بنوع من الملاحظة المؤثرة أو العاطفية التي آمل أن الكثير من الأعمال التي اشتهرت بها بشكل خاص، والتي حصلت عليها جائزة نوبل ل، كانت في بداية حياتك المهنية. ألن يكون أمرًا مبهجًا إذا تم قياس هذه المحاور خلال خمس إلى عشر سنوات ووجد أنها صحيحة تمامًا.

ويلتشيك: من شأنه أن يجعل يومي. أتمنى ألا تكون هذه نهاية مسيرتي، لكنها ستسعد يومي بالتأكيد.

ستروجاتز: حسنًا، أنا سعيد للغاية لأنني تمكنت من التحدث إليك مرة أخرى يا فرانك. لقد تحدثنا مع عالم الفيزياء النظرية فرانك ويلتشيك حول لغز الزمن وجماله. فرانك، شكرًا جزيلاً لوجودك معنا اليوم.

ويلتشيك: شكرًا لك. إنه شرف وامتياز، كما يقولون.

[مسرحيات الموضوع]

ستروجاتز: شكرا على الإنصات. إذا كنت تستمتع بـ "The Joy of Why" ولم تكن مشتركًا بالفعل، فاضغط على زر الاشتراك أو المتابعة حيث تستمع. يمكنك أيضًا ترك تعليق للعرض. يساعد الأشخاص في العثور على هذا البودكاست.

"فرحة لماذا" هو بودكاست من مجلة كوانتا، وهي مطبوعة مستقلة تحريريا بدعم من مؤسسة سايمونز. ليس لقرارات التمويل التي تتخذها مؤسسة سيمونز أي تأثير على اختيار المواضيع أو الضيوف أو القرارات التحريرية الأخرى في هذا البودكاست أو في مجلة كوانتا.

"فرحة لماذا" من إنتاج إنتاج بي آر إكس. فريق الإنتاج هو كيتلين فولدز، وليفيا بروك، وجنيفيف سبونسلر، وميريت جاكوب. المنتج التنفيذي لشركة PRX Productions هو جوسلين غونزاليس. قدم مورغان تشيرش وإدوين أوتشوا مساعدة إضافية.

من مجلة كوانتاوقدم جون ريني وتوماس لين التوجيه التحريري، بدعم من مات كارلستروم، وصامويل فيلاسكو، ونونا غريفين، وأرلين سانتانا، وماديسون غولدبرغ.

الموسيقى المميزة لدينا هي من APM Music. جاء جوليان لين باسم البودكاست. الحلقة من تصميم بيتر غرينوود وشعارنا من تصميم جاكي كينج وكريستينا أرميتاج. شكر خاص لمدرسة كولومبيا للصحافة وبيرت أودوم ريد في استوديوهات كورنيل للبث.

أنا مضيفك، ستيف ستروجاتز. إذا كان لديك أي أسئلة أو تعليقات بالنسبة لنا، يرجى مراسلتنا عبر البريد الإلكتروني على [البريد الإلكتروني محمي]. شكرا على الإنصات.