הזמן נראה לנו ליניארי: אנו זוכרים את העבר, חווים את ההווה ומנבאים את העתיד, נעים ברציפות מרגע אחד לאחר. אבל למה זה ככה, ויכול להיות שהזמן בסופו של דבר הוא סוג של אשליה? בפרק זה, הפיזיקאי זוכה פרס נובל פרנק וילצ'ק מדבר עם המארח סטיבן סטרוגאץ על "חיצי" הזמן הרבים ומדוע רובם נראים בלתי הפיכים, המהות של מהו שעון, איך איינשטיין שינה את הגדרת הזמן שלנו, והקשר הבלתי צפוי בין הזמן לבין התפיסות שלנו לגבי מה עשוי להיות חומר אפל.

תקשיב Apple Podcasts, Spotify, Google Podcasts, לכונן או אפליקציית הפודקאסט המועדפת עליך, או שאתה יכול להזרים את זה Quanta.

תמליל

סטיבן סטרוגץ: כולנו מודעים לזמן החולף. הרגשנו את זה בחילופי העונות, במקצבי השיר והריקוד, הילדים שלנו גדלים ומתבגרים. תרצו או לא תרצו, הזמן הוא חלק מהותי מהחיים. ובמהלך אלפי השנים, מדענים התייחסו בדרך כלל לזמן כדבר חד מימדי, חץ שממשיך לנוע קדימה, לעולם לא אחורה. אבל ככל שאנו מסתכלים מקרוב על הזמן, כך הוא נהיה יותר מסובך ומסתורי. המדענים כיום חלוקים בשאלה האם הזמן, או החוויה שלנו בו לפחות, היא אמיתית או הזויה. אולי אנחנו לא ממש עוברים בזמן. אולי ההווה, העבר והעתיד כולם אמיתיים באותה מידה.

[הצגות נושא]

אני סטיב סטרוגאץ, וזהו "השמחה של למה", פודקאסט מתוך מגזין Quanta, שבו המארח השותף שלי, ג'אנה לוין, ואני חוקר בתורות כמה מהשאלות הגדולות ביותר ללא מענה במתמטיקה ובמדעים כיום.

בפרק זה נשאל הפיזיקאי התיאורטי פרנק וילצ'ק, "מה השעה?" איך הגדרנו את זה בעבר? וכיצד עשויה פיזיקת הקוונטים להגדיר זאת מחדש בעתיד?

פרנק הוא פרופסור הרמן פשבך לפיזיקה ב-MIT, פרופסור מכובד באוניברסיטת אריזונה סטייט ופרופסור באוניברסיטת שטוקהולם. הוא המנצח של פרס נובל לשנת 2004 בפיזיקה ופרס טמפלטון לשנת 2022. והוא מחברם של מספר ספרים, כולל, לאחרונה, יסודות: עשרה מפתחות למציאות. פרנק, ברוך הבא ל"השמחה של למה".

פרנק וילצק: תודה. שמח להיות כאן.

STROGATZ: ובכן, אני מאוד שמח לשוחח איתך שוב. אהבתי את כל הספר שלך יסודות, וההסבר שנתת על זמן ואיך לחשוב על זמן עבורי היה אחד הנוקבים והיפים ביותר. אבל אני רוצה להתחיל עם מעין שאלה אישית על חווית הזמן שלך, בדיוק בתור בן ואדם, בעל, אני לא יודע. איך אתה חווה את הזמן כאדם, והאם הוא שונה מאיך שאתה חווה אותו כמדען?

WILCZEK: ובכן, השנה התעמתתי עם הזמן בצורה מאוד יפה. זהו, זה יום השנה ה-50 למאמר המדעי הראשון שלי וגם, לא במקרה, לנישואיי. עברו 50 שנה…

STROGATZ: (צוחק) וואו.

WILCZEK: ואני הרהרתי בחלוף הזמן ובאופן מסויים נסעתי אחורה בזמן כדי לבקר מחדש ברגעים המכריעים האלה.

זו שאלה מאוד מעניינת שאתה שואל, שהזמן כפי שהוא מופיע במשוואות שלנו הוא... ובכן, זה משתנה המאסטר, שמתחתיו מתגלגל העולם. אז זה סמל, t, המופיע במשוואות שלנו. ועל ידי מעקב אחר המשוואות, אנו מקבלים רמזים לגבי מה t הוא. וזה אומר לך מהן התכונות שלו, כפי שהן משתקפות בדברים שאנו רואים סביבנו ובהתנהגותם.

אבל הזמן מקבל חיים משלו, כביכול, כי אתה יכול לדון בתכונות שלו ללא תלות בדברים שהוא פועל עליהם, בעיקר הסימטריה שלו.

אבל אם נחזור לחוויית הזמן לעומת הגדרה פיזית של זמן - הדבר שמציג קמט, פשוטו כמשמעו, בו הוא שעל ידי אחסון מידע על העבר ועל ידי חשיבה על העתיד, אנו יכולים לנסוע בזמן בדרכים פיזיות אובייקטים המצייתים למשוואות הפיזיקה ממש לא.

רק שכנים בזמן באמת מדברים אחד עם השני במשוואות. אבל במוחנו, אנחנו יכולים לאחסן זיכרונות. או שנוכל לחשוב על העתיד. אנחנו באמת יכולים לנסוע בזמן.

STROGATZ: זה מצוין. שיש משהו במשוואות שאנחנו מסתכלים רק לאין שיעור קדימה. כמו שאתה אומר, השכנים בזמן הם שחשובים, נכון? התנאים הנוכחיים מנבאים מה יקרה ברגע השכן בעתיד.

WILCZEK: כן, בוודאי במסגרת המובנת כיום של חוק יסוד, כך זה עובד. כיף לשער שבסופו של דבר אולי יש מבנה גלובלי יותר, שיש תנאים שעדיין לא תפסנו שהופכים את התגלגלות היקום לבלתי נמנעת וייחודית.

אבל כפי שזה עכשיו, החוקים מספרים לך כיצד מצב העולם ברגע אחד מתגלגל למה שהוא ברגע הבא.

STROGATZ: מה היית אומר שהן התעלומות הגדולות לגבי הזמן?

WILCZEK: אני חושב שתעלומה אחת היא מאוד פורה, ואני חושב שאולי התקדמנו הרבה בבירור, היא שחוקי היסוד של הפיזיקה נראים להיות כמעט הפיך בזמן, למרות שהחוויה היומיומית של העולם אינה.

אז זה מציב שתי שאלות, שהן: איך אתה יכול להגיע מחוקים בסיסיים שיש להם תכונה הפיכה לחוויה, שבאופן דרסטי אין?

ואז, שנית, למה בכלל היה לחוקים את הנכס הזה כשלא רק שאין צורך לתאר ניסיון, אלא שזה סוג של מבוכה? זה מציב בעיה, אתגר. איך מיישבים את הקניין הזה של החוקים עם הניסיון, שנראה, אם לא סותר, לפחות נמצא במתח איתו.

אלו שתי בעיות גדולות, שלדעתי נפתרות במידה רבה, למעשה, אך עדיין פוריות מאוד, במיוחד הראשונה: מדוע החוקים כך?

ואז, בעיה גדולה עוד יותר, שהיא - או בעיה מסתורית ועמוקה עוד יותר היא הדרך שבה אנו מנסחים את תיאור העולם שלנו עכשיו - במונחים של חוקים שאומרים לך איך העולם מתפתח מרגע לרגע - היא ש לְהַשְׁלִים?

זה נראה בצורה פילוסופית לא מספקת משום שהוא מחלק את תיאור העולם לשני חלקים. האחת היא המשוואות והשנייה היא מצב העולם בזמן מסוים שאתה צריך איכשהו להזריק פנימה כדי להתחיל דברים.

STROGATZ: אז בוא נראה אם ​​אני מבין את זה. השאלות הן משהו לגבי מדוע יש לחוקים את המאפיין הכמעט הפיך הזה.

WILCZEK: כן.

STROGATZ: את השאלה של "משוואות מול תנאים ראשוניים", נוכל לנסח אותה.

WILCZEK: כן כן.

STROGATZ: יש אנשים שידעו שאתה אומר תנאים ראשוניים מבלי לומר זאת.

WILCZEK: ימין.

STROGATZ: ויש גם את הז'רגון הזה, ה"חץ הזמן," על - שזה מרגיש בחוויה שלנו כאילו הזמן זורם רק קדימה. ואתה אומר שמרגישים שיש לו רזולוציה טובה. אנחנו חושבים שאנחנו מבינים את חץ הזמן.

WILCZEK: אני חושב כך. זה סיפור ארוך שהפך יותר ויותר משכנע עם הזמן. אבל אני חושב שיש כנראה חיצי זמן רבים ושונים, דרכים רבות ושונות בהן העתיד שונה מהעבר. בהחלט יש תופעה פסיכולוגית. כמו כן, החוק השני של התרמודינמיקה. זה אומר לך שהדברים הופכים אקראיים יותר, בצורה גסה מאוד, אבל יש לו גם ניסוח מדויק. יש את חץ הקרינה של הזמן, שקרינה נוטה לצאת מדברים ולא להיכנס פנימה. יש את חץ הזמן הזה הקשור לאבולוציה של החיים. ועוד רבים אחרים שאתה יכול להמציא תוך כדי תנועה. בכל מקום שאתה מסתכל, יש חיצי זמן. יש חוסר סימטריה בין העתיד לעבר.

אבל אני חושב שכולם עכשיו - אנחנו יכולים לעטוף את כולם בחץ אחד. בדיוק כמו "הטבעת האחת ששולטת בכולם", יש חץ אחד ששולט בכולם, וזה החץ הקוסמולוגי של הזמן.

וכך, אפשר לומר שפתרנו את התעלומה, אבל אני חושב שיהיה נכון יותר לומר שעטפנו את כל התעלומות לאחד, שהוא: למה היה מפץ גדול מלכתחילה?

כוח הכבידה אוהב שדברים מתקבצים, אבל היקום המוקדם בזמן המפץ הגדול בחלל היה מאוד מאוד אחיד. אז כוח המשיכה היה רחוק משיווי משקל. ומה שקורה מאז הוא כוח הכבידה נאבק לשקם את שיווי המשקל.

אז החומר מתרחב ומתקרר, ואז הוא מתקבץ ויוצר (בסופו של דבר) כוכבים שמתחילים לשחרר אנרגיה גרעינית וכוכבי לכת שעליהם יכולים יצורים להתפתח. יש סיפור סביר מאוד עם פירוט עשיר שמיישר את כל החצים עם החץ האחד של האבולוציה הקוסמית.

STROGATZ: אני מוצא את זה מאוד - אפילו לא בטוח איזה שם תואר הייתי שם על זה, אבל הרעיון שחווית הזמן שלנו זורם רק מההווה לעתיד ושהביצים לא מתערבות מעצמן ודברים מהסוג הזה, שזה קשור איכשהו לאבולוציה של היקום כולו ממצבו האחיד הלוהט לכוכב הגמיש הנוכחי שלו, אתה יודע, עמוס הגלקסיות... זה פשוט פראי לחשוב שהדבר הזה שנראה כל כך רחוק משפיע על כאבי הגב שלי עכשיו כשאני זקן, אתה יודע? כאילו, באמת, נכון? בסופו של דבר, זה מה שאתה אומר.

WILCZEK: זה בהחלט לא סיפור מובן מאליו, וללא הרים של עדויות שפותחו לאורך כל מהלך המדע המודרני, זה יהיה מדהים. אז זה בהחלט מדהים.

STROGATZ: אם דברים לא השתנו - כמו אם היינו יכולים לדמיין איזה ניסוי מחשבתי שבו שום דבר לא משתנה, האם הזמן עדיין היה קיים? האם הזמן קיים בנפרד מאירועים? או האם הזמן הוא סוג של מדד לעובדה שדברים משתנים?

WILCZEK: ובכן, אתה בהחלט יכול לדמיין - ולמעשה, אתה יכול לבנות פתרונות של חוקי היסוד של הפיזיקה - כל כך עקביים עם כל העקרונות הבסיסיים שאנחנו יודעים איפה שום דבר לא קורה, ו t הוא עדיין מרכיב של המשוואות האלה -

STROGATZ: אז ליקום ריק עדיין יהיה זמן?

WILCZEK: כן, הזמן עדיין יהיה במשוואות. ואתה יכול לשאול, אפילו במצב הזה, את השאלה מה יקרה אם תעשה קצת הפרעה בשיווי המשקל האוניברסלי הזה? ואז הזמן ייחשף. אז הזמן יהיה קצת סמוי, אבל נראה שהוא עדיין נחוץ בניסוח מה המצב. אנחנו מדברים על משהו שהוא בלתי תלוי בזמן, אבל שאי אפשר לנסח את זה בלי להגיד שיש משהו שיכול היה להיות תלוי בו שהוא לא.

STROGATZ: זו כבר תשובה מעניינת. אני קצת מופתע שאתה אומר את זה. כלומר, אתה אוהב פילוסופיה, כזכור. אני חושב שלמדת קצת פילוסופיה, נכון?

WILCZEK: מאוד חובבני, בצורה מאוד חובבנית. אבל למעשה חשבתי על זה לאחרונה, ברמה הטכנית. אבל תחשוב על נהר, על זרימתו של נהר. יש שני תיאורים שונים שאתה יכול לדמיין של נהר שזורם בצורה מאוד סדירה.

לכן, בתיאור אחד, שבאופן טכני נקרא תיאור אוילר, היית מציין מהי מהירות הזרימה בכל מיקום, וזה ייתן לך תיאור מלא של זרימת הנהר. ואם הזרימה סדירה, יכול להיות ששום דבר לא קורה. המהירויות לא ישתנו בזמן.

STROGATZ: ימין.

WILCZEK: עם זאת, יש תיאור אחר, המשויך לשמה של לגרנז'. זה מעין תיאור פנימי שבו אתה עוקב אחר זרימת מולקולות מים בודדות. ואז הדגימות הללו נעות במהירות המקומית. וככל שהזמן עובר, הם נמצאים במקום אחר, אז הם רואים מהירות אחרת. למרות שהמהירות במקור הייתה פונקציה של מיקום, אבל לא של זמן. אבל במבט מבפנים, כשאתה עוקב אחר הזרימה עצמה, אז דברים קורים.

אז, אז שני התיאורים תקפים. אם נקרא לנהר הזה יקום, היקום במובן מסוים אינו משתנה. אבל כפי שנחווה מבפנים, זה משתנה. יש הרבה מקום להתפתחות דינמית כשאתה בתוך הנהר והולך עם הזרימה.

ואני חושב שזה עשוי להיות ברמה עמוקה מה שקורה ביקום. אם אתה רוצה לקבל תיאור פנימי - תיאור לגראנגי, בניגוד לתיאור אוילר - זו לא סתירה. זו רק דרך אחרת להסתכל על אותו אובייקט, אותה מציאות מבפנים או מבחוץ. מבט עין של אדם מול מבט עין של אלוהים.

STROGATZ: אני כן רוצה לחקור איתך, אתה יודע, תפיסות שונות של זמן בהיסטוריה של המדע כשאנחנו עוברים, נניח, מניוטון לאיינשטיין. אבל ברגע זה, אני רק רוצה לשאול אותך - וזה מצחיק, כמובן, אנחנו ממשיכים לדבר על זמן כשאנחנו דנים בזמן. כמו שאני אומר, "ברגע זה, אני הולך לשאול אותך שאלה לגבי זמן."

WILCZEK: קשה לברוח, לא?

STROGATZ: קשה לברוח!

WILCZEK: זה מה שהם אומרים. אם זו אשליה, זו אשליה די משכנעת.

STROGATZ: זו אשליה מאוד משכנעת. אז זה מה שהתכוונתי אליו: שאיינשטיין, אנחנו יודעים, הושפע רבות ממדען/פילוסוף בשם מאך, ארנסט מאך. אנחנו מדברים על מספר מאך בצליל, אבל זה אותו מאך. בסדר, אבל אז: מאך. האם הבחור הזה התעניין מאוד בהגדרות מבצעיות של דברים. אז איינשטיין, יושב שם במשרד הפטנטים, חושב על זמן, מתחיל לומר, "הזמן הוא מה שמודדים שעונים".

ואתה כותב על זה הרבה ב יסודות, וחשבתי שזו תפיסה מאוד מעניינת על דברים. אתה רוצה - אתה יכול להתייחס לרעיון הזה? כאילו, האם עלינו לחשוב על זמן כעל מה שעונים מודדים, בניגוד להגדרה מעורפלת יותר של זמן?

WILCZEK: ובכן, אני חושב שכן, אם אנחנו רוצים לחשוב בצורה מדעית ופורה על זמן ברמה בסיסית. אבל תן לי לסייג את זה קצת.

STROGATZ: זה צריך קצת לפרוק.

WILCZEK: המילה האנגלית "זמן" מכסה הרבה קרקע וניתן להשתמש בה במובנים שונים, בדיוק כמו "אנרגיה", בסדר? אנרגיה פירושה משהו מאוד ספציפי בהקשר של דיון מדעי. אבל בשפה הרווחת יש לזה משמעות הרבה יותר רחבה שיש לה גם קצוות מטושטשים.

אז, בדומה לזמן, כשאני אומר, "הזמן הוא מה שהשעונים מודדים", אני מתכוון למושג המדעי של זמן שהוא פורה ביותר וניתן לשאת אותו רחוק מאוד בדיוק רב. וכדי להבין נכון את האמירה הזו, צריך גם להרחיב את הרעיון של מה זה שעון.

שעון הוא כל דבר בעולם שמשתנה בכל דרך שהיא, מכיוון שהחוקים מנוסחים במונחים של איך דברים משתנים כפונקציה של המשתנה הזה t. והכל משתנה, ודברים משתנים בדרכים שונות. הם זזים. הם עוברים תגובות כימיות. הם מזדקנים במובן הביולוגי. והמשפט המדהים הוא שהמשתנה האחד הזה במשוואות עומד בבסיס הכל.

אז אתה יכול לקבל שעונים שעובדים על עקרונות מאוד מאוד שונים. יכולים להיות לך דברים שמנטרים את תנועת כדור הארץ סביב השמש. אתה יכול לקבל דברים המנטרים את זרימת המים, שעוני מים. אתה יכול לקבל שעון המבוסס על צפייה איך מישהו מזדקן, בן אדם מזדקן. זה לא יהיה שעון מאוד מדויק, אבל, באופן עקרוני, ואם תחפור בביוכימיה, אפשר לדייק את זה. הרבה מאוד סוגים שונים של שעונים, אבל כולם תואמים אחד לשני.

לכן, כשאני אומר שהזמן הוא מה שמודדים שעונים, זה יותר מהצהרה מבצעית. יש לו תוכן מאוד לא טריוויאלי. זה אומר שכל השעונים מכוילים ומובנים כהלכה, לא משנה על איזה עיקרון הם מבוססים, יוכלו להגיע להסכמה עקבית לגבי השעה.

STROGATZ: נחזור ממש.

[הפסקה להכנסת מודעה]

STROGATZ: ברוכים הבאים ל"השמחה של למה".

העברת הילוך קצת מהפילוסופיה כאן להיסטוריה של המדע, נראה לי שחלק גדול מסיפור הצלחת המדע, במיוחד במה שאנו מכנים לעתים קרובות המהפכה המדעית של שנות ה-1600 ואילך, היה קשור ל- היכולת להתחיל למדוד זמן די טוב. זה לא במקרה שגלילאו והויגנס וניוטון, ואתם יודעים, ממשיכי דרכו היו באותו זמן שהתחילו לייצר שעוני מטוטלת טובים. ושתוכלו לקבל את חוקי התנועה בצורה שהייתם מתקשים לקבל אותם לפני שהיו לכם מכשירי שמירת זמן טובים.

אתה חושב שזה נכון? זה שההתקדמות המדעית שלנו באמת תלויה ביכולת למדוד זמן טוב?

WILCZEK: זה בהחלט עזר. ובמיוחד אם תרחיב את הגדרת הזמן כך שתכלול את התנועה הסדירה של כוכבי לכת, כמו חוק קפלר שכוכבי הלכת גורפים החוצה שטחים שווים בזמנים שווים. וכמובן שהתבוננות זו הייתה מרכזית בניסוח חוקי קפלר, שיחד עם חקר המטוטלת והגופים הנופלים של גלילאו, כל זה הוביל לפסגת המהפכה המדעית: ניסוח המכניקה הקלאסית של ניוטון וחוקי הכבידה. אז כן, הכל מאוד מבוסס על שיקולים שבאופן כללי הביאו בזמן.

STROGATZ: אז אם נצוץ קדימה - כמובן, עדיין נשארים עם משחקי המילים האלה כאן - נקדים עכשיו לאיינשטיין. באיינשטיין, אנחנו מתחילים לקבל כמה מוזרים מאוד - עבור אנשים רבים, דברים נוגדים את האינטואיציה קורים.

WILCZEK: ובכן, בניסוח תיאור עשיר יותר של האינטראקציה הגרביטציונית החורגת מההבנה הניוטונית, ועוד לפני כן, בניסיון לעשות צדק עם הסימטריה של משוואות האלקטרודינמיקה, הובל איינשטיין לתפיסה גמישה יותר של זמן.

אז הרשו לי להתחיל עם תורת היחסות המיוחדת, שבאופן היסטורי הגיעה ראשונה. אם אתה במעבדה סגורה ובדיוק עשית ניסויים בתוך מעבדות שנעות אחת ביחס לשנייה במהירות קבועה, היית מגיע לאותם חוקים, לא משנה מהי המהירות הזו. זו המהות של תורת היחסות הפרטית. אבל כדי לעשות זאת, מסתבר שמה שבחור אחד יקרא זמן, הבחור השני קורא תערובת של מרחב וזמן. זו תערובת פשוטה מבחינה מתמטית. זה מה שאנחנו מכנים שילוב ליניארי, אבל זה בהחלט תערובת של מרחב וזמן. אז, זה מציג את הרעיון שיש גמישות מסוימת בהגדרת השעה.

אתה יכול לקבל חוקי פיזיקה תקפים עם אותו תוכן תוך שימוש בכמה זמן t או זמן אחר, t $latex ^{prime}$ [t-prime], זה תערובת של t ו x, שם x היא העמדה. אז זו הייתה תורת היחסות הפרטית.

ואז זו הייתה סוג של הפתעה גדולה. כי ניוטון, למשל, חשב על זמן כדבר אחד. ניוטון היה מאוד תאולוג, ומאוד חשב שמה שהוא עושה בעבודתו זה להבין איך אלוהים עובד. והוא חשב על אלוהים כמו, אתה יודע, כופה את הזמן הפסיכולוגי שלו על העולם, אני חושב. היה - הרעיון שיכולות להיות הגדרות תקפות שונות של זמן היה זר מאוד לניוטון.

אבל זה מה שאיינשטיין הניח, וזה מאפשר לך לקבל ניסוחים יפים מאוד של חוקי הפיזיקה ולמצוא בהם חוקיות שיהיה קשה מאוד למצוא אחרת.

ואז, בתורת היחסות הכללית, זה נהיה עוד יותר מוזר כי אתה מאפשר לאנשים שונים במקומות שונים לבחור בעצמם t גרסה, באיזו מהפעמים האלה לבחור. זה נקרא איווריאנטיות לורנץ מקומית. כל אדם יכול לבחור את התערובת שלו של מקום וזמן לשימוש. ואתה צריך לנסח את המשוואות בצורה כזו שיאפשרו את הבחירות הללו. יש להם מה שנקרא סימטריה. למרות שניסוח המשוואות ייראה שונה מאוד אם אנשים יעשו בחירות שונות, התוכן שלהן יהיה זהה. ורק למשוואות מאוד מיוחדות יש את המאפיין הזה.

ואיינשטיין, בהישג מדהים של גאונות, הצליח - מהעיקרון הזה - להפיק תיאוריה משופרת של כוח הכבידה. הזמן מתמזג עם המרחב, וכל המרחב-זמן יכול להתעקם. ההשפעות האלה מאוד מאוד קטנות בסולם מעבדה. אבל כשאתה מדבר על סולמות מקרוסקופיים - קנה המידה של כדור הארץ ושדה הכבידה של כדור הארץ, או היקום, או בתנאים קיצוניים מאוד, כמו היכן שיש ריכוזים עצומים מאוד של מסה שמתעקלים את החלל בחורים שחורים. ואז צורות זמן גמישות יותר, מתכופפות או אפילו נוזליות יותר מגיעות לעצמן.

STROGATZ: הממ. כלומר, יש הרבה מבחנים של תורת היחסות, ניסויים של נשיאת שעונים אטומיים במטוסים. אם אנשים לא שמעו את הדברים האלה שאתה רק הזכרת, זה כנראה היה נשמע די פנטסטי. אבל יש לנו ראיות טובות וחזקות שכולן נכונות, כולל אפילו גאדג'טים של GPS שאנו משתמשים בהם במכוניות שלנו. אתה יודע, אני מתכוון, אם תורת היחסות הכללית והמיוחדת, אם לא חשבנו על אלה...

WILCZEK: ובכן, ה-GPS לא יעבוד, כי חשוב מאוד לקבל את הזמן הנכון בדיוק ב-GPS. בפעולה של מערכת ה-GPS, אתה משתמש בתזמון מדויק מאוד כדי להסיק מרחקים, בהסתמך על העובדה שמהירות האור היא קבועה אוניברסלית. אני מפשט קצת יותר מדי, אבל זו בעצם האמת, כן.

ומכיוון שמהירות האור מאוד מאוד גדולה בהשוואה למהירויות יומיומיות, טעויות קטנות מאוד במדידת הזמן משתקפות לשינויים משמעותיים במרחק. אז אם אתה עושה שגיאות קטנות באופן שבו אתה מתייחס לזמן, הן הופכות להיות מוגדלות לשגיאות הרבה יותר גדולות, שגיאות חשובות במרחב. אז אתה צריך להיות ממש ממש מדויק לגבי הטיפול בזמן כדי להפוך את ה-GPS למערכת שימושית.

STROGATZ: נכון, אז העובדה שהלוויינים נמצאים גבוה, שם שדה הכבידה חלש יותר. אתה יודע, יש את כל הלוויינים האלה שהם חלק ממערכת ה-GPS, והם נעים די מהר למעלה. יש לקחת בחשבון ולתקן את כל הדברים האלה, ואני רק חושב שזו דוגמה מצוינת לאופן שבו, אתה יודע, אולי אתה חושב שאיינשטיין שלנו עוסק רק בחורים שחורים או בכל היקום, אבל -

WILCZEK: ובכן, זה באמת מדהים שאם אתה חוזר למאמר היחסות המיוחדת המקורי של איינשטיין, הוא מדבר על סנכרון וקורלציה בין תחנות שונות, אם תרצה, כדי שיוכלו להסכים על ההגדרה של מרחב וזמן. ועם קצת חוש הומור, אתה יכול לראות שמה שהוא מתאר שם זו מערכת ה-GPS.

STROGATZ: וואו.

WILCZEK: אתה יודע, אנשים מסתובבים עם מוטות ושעונים ומשתמשים במהירות האור כדרך לסנכרון, ו, ואז למדוד מרחק. זה בדיוק - זו מערכת ה-GPS, נכון.

STROGATZ: הו, אף פעם לא חשבתי על זה. יש כל כך הרבה דברים שאני רוצה לשאול אותך עליהם. מה עם החומר האפל? אני יודע שזה אחד האהובים עליך. בואו נשמע על זה. מה הקשר בין חומר אפל לזמן?

WILCZEK: מבחינה לוגית, יש לו במקרה הטוב קשר קלוש לזמן, אבל זה סיפור מאוד מעניין שמאוד מרגש ואני מעורב בו מאוד כרגע. כך חומר אפל היא התצפית שיש רשת שלמה של תופעות שבהן נראה שיש יותר כוח כבידה, יותר כוח כבידה ממה שאנחנו יכולים לעקוב אחר נוכחות החומר.

זה נראה מאוד כאילו זה יכול להיות סוג חדש של חלקיק שבמקרה מקיים אינטראקציה מאוד מאוד חלושה עם סוגי החומר שאנחנו עוסקים בו במשך עשרות שנים, אבל עדיין מפעיל כוח משיכה. ואני חושב שאני יודע מה זה, ויש סוג של קונצנזוס שמתהווה שזה רעיון טוב - משהו שנקרא אקסיונות. ועכשיו, סוף סוף, מגיע החיבור לזמן.

אקסיונים הוכנסו לפיזיקה לא כדרך ליצור חומר אפל, אלא כדרך להתייחס לתכונה המוזרה של החוקים: שהם כמעט זהים או כמעט בעלי אותו תוכן אם משנים את כיוון הזמן. לכן, למרות שחוויה מקרוסקופית לא מתנהגת כך, החוקים המיקרוסקופיים כן מתנהגים כך.

למה? יש לנו סיפור מאוד נחמד על זה.

עקרונות תורת היחסות ומכניקת הקוונטים והסימטריות העמוקות של המודל הסטנדרטי - מה שנקרא סימטריות מד השולטות במהות הכוחות האחרים - מגבילים בעוצמה את האינטראקציות שיכולות להיות לחומר. אז אם אתה מניח שהעקרונות האלה נכונים, אתה מקבל הגבלות חזקות על חוקי הפיזיקה.

ומסתבר שכמעט כתוצאה מקרית של אותן הגבלות, החוקים פועלים כמעט אותו דבר קדימה ואחורה בזמן. אז זה ניצחון אדיר של הבנה תיאורטית.

אבל זה לא לגמרי גמור. וישנה אינטראקציה אחת שעולה בקנה אחד עם חוקי היסוד, עקרונות היסוד, אני צריך לומר, שיציית לכל העקרונות האלה, אבל לא יהיו הפיכים בזמן. ונמצא שגם האינטראקציה הזו מאוד מאוד קטנה.

אז כדי להבין שבאופן מעמיק, הרעיון המוביל הוא להציג עיקרון גדול נוסף. זה משהו שנקרא סימטריה של Peccei-Quinn לאחר הפיזיקאים שהציגו אותו.

ואז חלקנו הבינו שכתוצאה מהעיקרון החדש הזה, יש תחזית שצריך להתקיים סוג חדש של חלקיק שאני קורא לו האקסיון, שיש לו תכונות יוצאות דופן לחלוטין. הוא צפוי לקיים אינטראקציה מאוד מאוד חלשה עם חומר רגיל. ואז אנו מבינים שאם אתה מפעיל את המשוואות דרך המפץ הגדול, הוא מיוצר בדיוק בצורה הנכונה כדי ליצור את החומר האפל שאסטרונומים צפו בו.

זה מאוד מעודד, בלשון המעטה, שהוא מטפל אוטומטית בבעיה הקוסמולוגית האחרת הזו. והדבר הנפלא שקרה בעשורים האחרונים - אבל במיוחד עכשיו בקצב מואץ - הוא שאפשר לתכנן ניסויים שיזהו אותם אם הם נמצאים בחוץ.

הניסויים קשים מאוד. זה כמו הבעיה של זיהוי נייטרינו, אבל קשה יותר - אולי ברגע שנלמד את הטריקים הנכונים, זה לא ייראה כל כך קשה יותר. אבל הניסויים האלה מתקיימים. נדע הרבה יותר בעוד חמש עד 10 שנים.

STROGATZ: אני אוהב שאתה הולך לסיים את ההצגה שלנו כאן עם האזכור הזה של חמש עד 10 שנים, כי אני רוצה לסכם באיזשהו נימה נוקבת או מרגשת, שהרבה מהעבודה שאתה ידוע במיוחד בה, קיבלת פרס נובל על, היה בתחילת הקריירה שלך. האם זה לא יהיה דבר מענג אם בעוד חמש עד 10 שנים יימדדו האקסיות האלה וימצאו כנכונות.

WILCZEK: זה יעשה לי את היום. אני מקווה שזה לא יהיה סוף הקריירה שלי, אבל זה בהחלט יעשה לי את היום.

STROGATZ: ובכן, אני מאוד נרגש שהצלחתי לדבר איתך שוב, פרנק. אז דיברנו עם הפיזיקאי התיאורטי פרנק וילצ'ק על המסתורין והיופי של הזמן. פרנק, תודה רבה על שהיית איתנו היום.

WILCZEK: תודה. זה כבוד וזכות, כמו שאומרים.

[הצגות נושא]

STROGATZ: תודה על הקשבה. אם אתה נהנה מ-"The Joy of Why" ועדיין לא נרשמת, לחץ על כפתור הירשם או עקוב במקום שבו אתה מאזין. ניתן גם להשאיר ביקורת על המופע. זה עוזר לאנשים למצוא את הפודקאסט הזה.

"השמחה של למה" הוא פודקאסט מתוך מגזין Quanta, פרסום עצמאי מבחינה עריכה הנתמך על ידי ה קרן סימונס. להחלטות המימון של קרן סימונס אין השפעה על בחירת הנושאים, האורחים או החלטות עריכה אחרות בפודקאסט זה או ב מגזין Quanta.

"השמחה של למה" מופק על ידי PRX הפקות. צוות ההפקה הוא קייטלין פאולדס, ליביה ברוק, ג'נבייב ספונסלר ומריט ג'ייקוב. המפיקה בפועל של PRX Productions היא ג'וסלין גונזלס. מורגן צ'רץ' ואדווין אוצ'ואה סיפקו סיוע נוסף.

מ מגזין Quanta, ג'ון רני ותומס לין סיפקו הדרכה עריכה, עם תמיכה ממאט קרלסרום, סמואל ולסקו, נונה גריפין, ארלין סנטנה ומדיסון גולדברג.

מוזיקת ​​הנושא שלנו היא מ-APM Music. ג'וליאן לין המציא את שם הפודקאסט. אמנות הפרק היא של פיטר גרינווד והלוגו שלנו הוא של ג'קי קינג וקריסטינה ארמיטג'. תודה מיוחדת לבית הספר לעיתונות קולומביה ולברט אודום-ריד באולפני קורנל ברודקאסט.

אני המארח שלך, סטיב סטרוגאץ. אם יש לך שאלות או הערות עבורנו, אנא שלח לנו דוא"ל לכתובת [מוגן בדוא"ל]. תודה על הקשבה.