시간은 우리에게 선형적인 것처럼 보입니다. 우리는 과거를 기억하고, 현재를 경험하고, 미래를 예측하며 한 순간에서 다음 순간으로 연속적으로 이동합니다. 그런데 왜 그럴까요? 그리고 시간은 결국 일종의 환상이 될 수 있을까요? 이번 에피소드에서는 노벨상 수상 물리학자가 프랭크 윌첵 호스트와 대화 스티븐 스트로 가츠 시간의 많은 "화살"과 그 대부분이 되돌릴 수 없는 것처럼 보이는 이유, 시계의 본질, 아인슈타인이 시간에 대한 정의를 어떻게 바꾸었는지, 시간과 암흑 물질이 무엇인지에 대한 우리의 개념 사이의 예상치 못한 연관성에 대해 설명합니다.

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성적 증명서

스티븐 스트로가츠: 우리 모두는 시간의 흐름을 알고 있습니다. 우리는 계절의 변화, 노래와 춤의 리듬, 우리 아이들의 성장과 늙어가는 과정에서 그것을 느꼈습니다. 좋든 싫든 시간은 삶의 근본적인 부분입니다. 그리고 수천 년에 걸쳐 과학자들은 일반적으로 시간을 1차원적인 것, 즉 결코 뒤로 물러서지 않고 계속 앞으로 나아가는 화살로 간주해 왔습니다. 하지만 시간을 자세히 들여다볼수록 시간은 더욱 복잡해지고 신비로워집니다. 오늘날 과학자들은 시간이나 적어도 우리의 경험이 실제인지 환상인지에 대해 의견이 분분합니다. 어쩌면 우리는 실제로 시간을 이동하지 않을 수도 있습니다. 아마도 현재, 과거, 미래는 모두 똑같이 현실일 것입니다.

[테마연극]

저는 Steve Strogatz입니다. 이것은 'The Joy of Why'라는 팟캐스트입니다. Quanta Magazine, 공동 진행자는 잔나 레빈, 그리고 저는 오늘날 수학과 과학에서 답이 없는 가장 큰 질문 중 일부를 차례로 탐구합니다.

이번 에피소드에서 우리는 묻습니다. 이론 물리학자 프랭크 윌첵, “시간은 무엇입니까?” 과거에는 어떻게 정의했습니까? 그리고 양자물리학은 미래에 이를 어떻게 재정의할 수 있을까요?

Frank는 MIT의 Herman Feshbach 물리학 교수이자 애리조나 주립 대학교의 저명한 교수이자 스톡홀름 대학교의 교수입니다. 그 사람이 이번 대회의 승자야. 2004년 노벨상 물리학 및 2022년 템플턴 상 수상. 그리고 그는 가장 최근에 다음을 포함한 여러 책의 저자입니다. 기초 : 현실의 XNUMX 가지 열쇠. Frank 씨, 'The Joy of Why'에 오신 것을 환영합니다.

프랭크 윌첵: 감사합니다. 여기있어 기쁘다.

스트로가츠: 음, 다시 당신과 이야기를 나누게 되어 매우 기쁩니다. 나는 당신의 책 전체를 사랑했습니다 기초, 그리고 당신이 시간에 대해 설명하고 나에게 시간에 대해 생각하는 방법은 가장 가슴 아프고 아름다운 것 중 하나였습니다. 하지만 저는 아들로서, 사람으로서, 남편으로서 당신의 시간 경험에 관한 일종의 개인적인 질문으로 시작하고 싶습니다. 인간으로서 시간을 어떻게 경험하며, 과학자로서 시간을 경험하는 것과는 다른가요?

윌첵: 글쎄요, 올해 저는 아주 좋은 방식으로 시간을 맞이했습니다. 올해는 나의 첫 번째 과학 논문 발표 50주년이자, 우연이 아니더라도 결혼 50주년이 되는 날입니다. 그게 XNUMX년이었는데…

스트로가츠: (웃음) 우와.

윌첵: 그리고 저는 시간의 흐름에 대해 반성했고, 그 결정적인 순간을 다시 방문하기 위해 시간을 거슬러 여행하는 방식을 취했습니다.

당신이 묻는 것은 매우 흥미로운 질문입니다. 우리 방정식에 나타나는 시간은… 음, 그것은 세상이 펼쳐지는 마스터 변수입니다. 그러니까 상징이지, t, 이는 방정식에 나타납니다. 그리고 방정식을 따르면서 우리는 무엇에 대한 힌트를 얻습니다. t 이다. 그리고 그것은 우리 주변에서 볼 수 있는 것들과 그들의 행동에 반영된 것처럼 그 속성이 무엇인지 알려줍니다.

그러나 시간은 그 자체의 생명력을 갖고 있습니다. 왜냐하면 시간이 작용하는 대상, 특히 대칭성과 관계없이 시간의 속성을 논의할 수 있기 때문입니다.

하지만 시간의 경험과 시간의 물리적 정의로 돌아가면 말 그대로 주름이 생기는 이유는 과거에 대한 정보를 저장하고 미래에 대해 생각함으로써 물리적인 방식으로 시간을 여행할 수 있다는 것입니다. 물리학의 방정식을 따르는 물체는 실제로 그렇지 않습니다.

시간이 흘러 이웃들만이 방정식에서 실제로 서로 대화를 나눕니다. 하지만 우리 마음속에는 추억을 저장할 수 있습니다. 아니면 미래에 대해 생각해 볼 수도 있습니다. 우리는 정말로 시간여행을 할 수 있어요.

스트로가츠: 훌륭해요. 방정식에는 우리가 무한히 앞만 바라보는 뭔가가 있다는 것입니다. 당신이 말했듯이, 중요한 것은 시간에 따른 이웃들입니다. 그렇죠? 현재 상황은 미래의 가까운 순간에 무슨 일이 일어날지 예측합니다.

윌첵: 예, 확실히 현재 이해되는 기본법의 틀에서는 그것이 작동하는 방식입니다. 궁극적으로 더 세계적인 구조가 있을 수 있고, 우주의 전개를 불가피하고 독특하게 만드는 조건이 아직 포착되지 않았는지 추측하는 것은 재미있습니다.

그러나 지금처럼, 법칙은 한 순간의 세계 상태가 다음 순간의 상태로 어떻게 전개되는지를 알려줍니다.

스트로가츠: 시간에 관한 가장 큰 미스터리는 무엇이라고 말하시겠습니까?

윌첵: 내 생각에 매우 유익한 한 가지 미스터리는 아마도 우리가 이 문제를 해결하는 데 많은 진전을 이루었다고 생각합니다. 물리학의 기본 법칙은 다음과 같습니다. 시간이 지나면 거의 되돌릴 수 있음, 비록 세상의 일상적인 경험은 그렇지 않지만.

그래서 그것은 두 가지 질문을 제기합니다. 즉, 가역성을 가지고 있는 기본 법칙에서 경험으로 얻을 수 있는 방법은 무엇입니까?

그리고 두 번째로, 경험을 기술하는 것이 필요하지 않을 뿐만 아니라 일종의 당혹스러운 일인데 왜 법이 그런 속성을 갖고 있었습니까? 그것은 문제, 도전을 제기합니다. 모순되지는 않더라도 적어도 긴장 관계에 있는 것처럼 보이는 법칙의 속성과 경험을 어떻게 조화시킬 수 있습니까?

이것들은 두 가지 큰 문제입니다. 실제로는 대부분 해결되었지만 여전히 매우 유익합니다. 특히 첫 번째 문제는 법이 왜 그런가요?

그리고 훨씬 더 큰 문제, 또는 훨씬 더 신비롭고 심오한 문제는 우리가 현재 세계에 대한 설명을 공식화하는 방식입니다. 즉, 세상이 순간순간 어떻게 전개되는지를 알려주는 법칙의 관점에서 말입니다. 완벽한?

그것은 세계에 대한 설명을 두 부분으로 나누기 때문에 어떤 면에서는 철학적으로 불만족스러워 보입니다. 하나는 방정식이고 다른 하나는 일을 시작하기 위해 어떻게든 주입해야 하는 당시의 세계 상태입니다.

스트로가츠: 그럼 내가 이것을 얻었는지 봅시다. 문제는 법이 왜 가역성에 가까운 속성을 가지고 있는지에 대한 것입니다.

윌첵네

스트로가츠: "방정식 대 초기 조건"이라는 질문을 던질 수 있습니다.

윌첵: 응, 응.

스트로가츠: 어떤 사람들은 말하지 않고도 초기 조건을 말하고 있다는 것을 알 것입니다.

윌첵: 권리.

스트로가츠: 그리고 이런 전문 용어도 있습니다.시간의 화살,”에 대해 — 우리의 경험에서는 시간이 앞으로만 흐르는 것처럼 느껴집니다. 그리고 좋은 결심을 한 것 같은 느낌이 든다고 하더군요. 우리는 시간의 화살을 이해하고 있다고 생각합니다.

윌첵: 그렇게 생각해요. 시간이 지날수록 점점 더 설득력이 높아지는 긴 이야기입니다. 하지만 저는 분명히 시간의 화살이 다양하고, 미래가 과거와 다른 방식도 다양하다고 생각합니다. 확실히 심리적인 현상이 있는 것 같아요. 또한, 열역학 제2법칙. 매우 대략적으로 말하면 상황이 더 무작위화되지만 정확한 공식도 있음을 알려줍니다. 시간의 방사선 화살이 있습니다. 방사선은 사물에서 나가고 들어오지 않는 경향이 있습니다. 생명의 진화와 관련된 시간의 화살이 있습니다. 그리고 그 밖에도 즉석에서 발명할 수 있는 많은 것들이 있습니다. 어디를 가든 시간의 화살이 있습니다. 미래와 과거 사이에는 비대칭이 있습니다.

하지만 지금은 그 모든 것을 하나의 화살표로 묶을 수 있다고 생각합니다. '모든 것을 지배하는 하나의 반지'처럼 모든 것을 지배하는 하나의 화살이 있는데, 그것이 바로 우주론적 시간의 화살이다.

그래서 우리가 미스터리를 풀었다고 말할 수도 있지만, 모든 미스터리를 하나로 묶었다고 말하는 것이 더 정확할 것 같습니다. 애초에 왜 빅뱅이 있었나요?

중력은 물체가 뭉치는 것을 좋아하지만 우주에서 빅뱅이 일어난 당시의 초기 우주는 매우 균일했습니다. 그래서 중력은 평형을 벗어났습니다. 그 이후로 계속해서 일어나고 있는 일은 중력이 평형을 회복하기 위해 애쓰는 것입니다.

따라서 물질은 팽창하고 냉각된 다음 덩어리를 이루고 (결국) 핵 에너지를 방출하기 시작하는 별과 생물이 진화할 수 있는 행성을 만듭니다. 모든 화살표를 우주 진화의 하나의 화살표와 일치시키는 매우 상세한 설명이 포함된 매우 그럴듯한 이야기가 있습니다.

스트로가츠: 저는 이것을 매우 – 어떤 형용사로 표현해야 할지 모르겠지만, 시간이 현재에서 미래로만 흘러간다는 우리의 경험과 달걀은 스스로 풀리지 않는다는 생각, 이것이 바로 그것은 어떻게든 뜨겁고 균일한 상태에서 현재의 덩어리진, 은하수를 담은 별까지의 전체 우주의 진화와 연관되어 있습니다… 그렇게 먼 것처럼 보이는 그런 것들이 지금은 제 허리 통증에 영향을 미치고 있다고 생각하는 것은 정말 터무니없는 일입니다. 아저씨, 그거 알아요? 정말 그렇죠? 결국 당신이 말하는 것은 그것이다.

윌첵: 이는 확실히 당연한 이야기는 아니며, 현대 과학의 전체 과정에서 개발된 수많은 증거가 없다면 믿을 수 없을 것입니다. 정말 놀랍습니다.

스트로가츠: 상황이 변하지 않는다면, 예를 들어 아무것도 변하지 않는 사고 실험을 상상할 수 있다면 시간은 여전히 ​​존재할까요? 시간은 사건과 별개로 존재하는가? 아니면 시간은 상황이 변하고 있다는 사실을 측정하는 일종의 척도일까요?

윌첵: 글쎄요, 여러분은 확실히 상상할 수 있고 실제로 물리학의 기본 법칙에 대한 해법을 구성할 수 있습니다. 우리가 알고 있는 모든 기본 원리와 일치하며 아무 일도 일어나지 않는 경우, t 는 여전히 그 방정식의 구성 요소입니다.

스트로가츠: 그렇다면 텅 빈 우주에도 여전히 시간이 있을까요?

윌첵: 그래, 시간은 여전히 ​​방정식에 있을 거야. 그리고 그러한 상황에서도 이 보편적인 균형에 약간의 혼란을 가하면 어떤 일이 일어날지 질문할 수 있습니다. 그리고 시간이 공개될 것이다. 따라서 시간은 다소 잠재되어 있지만 상황이 무엇인지 공식화하는 데는 여전히 필요한 것 같습니다. 우리는 시간에 독립적인 어떤 것에 대해 이야기하고 있습니다. 그러나 그것이 시간에 의존하지 않는다는 것에 의존할 수 있는 어떤 것이 있다는 것을 말하지 않고는 공식화할 수 없습니다.

스트로가츠: 벌써부터 흥미로운 답변이네요. 그런 말을 해서 좀 놀랐어요. 내 기억으로는 당신은 철학을 좋아하는군요. 철학을 좀 공부한 것 같죠?

윌첵: 아주 아마추어적인 방식으로 말이죠. 하지만 사실 저는 최근에 기술적인 차원에서 이에 대해 생각해 왔습니다. 하지만 강, 강의 흐름을 생각해 보세요. 매우 규칙적으로 흐르는 강에 대해 상상할 수 있는 두 가지 다른 설명이 있습니다.

따라서 기술적으로 오일러 설명이라고 불리는 하나의 설명에서는 모든 위치에서 유속이 무엇인지 지정하고 강의 흐름에 대한 완전한 설명을 제공합니다. 그리고 흐름이 규칙적이라면 아무 일도 일어나지 않을 수 있습니다. 속도는 시간이 지나도 변하지 않습니다.

스트로가츠: 권리.

윌첵: 그러나 Lagrange의 이름과 관련된 또 다른 설명이 있습니다. 그것은 개별 물 분자의 흐름을 따라가는 일종의 내부 설명입니다. 그런 다음 해당 샘플은 로컬 속도로 이동합니다. 그리고 시간이 지남에 따라 그들은 다른 장소에 있기 때문에 다른 속도를 보게 됩니다. 속도는 원래 위치의 함수였으나 시간의 함수는 아니었습니다. 그런데 내부에서 보면 흐름 자체를 따라가다 보면 일이 벌어지고 있는 것 같아요.

따라서 두 설명 모두 유효합니다. 이 강을 우주라고 한다면 어떤 의미에서 우주는 변하지 않습니다. 그러나 내부에서 경험해 보면 변화하고 있습니다. 당신이 강 안에 있고 흐름을 따라갈 때 역동적인 발전을 위한 많은 여지가 있습니다.

그리고 나는 그것이 우주에서 일어나고 있는 일이 더 깊은 수준에 있을 수 있다고 생각합니다. 오일러 설명과 반대되는 라그랑지안 설명인 내부 설명을 원한다면 이는 모순이 아닙니다. 그것은 단지 같은 대상, 같은 현실을 내부에서나 외부에서 보는 방식이 다를 뿐입니다. 인간의 시선과 신의 시선.

스트로가츠: 저는 여러분과 함께 과학사에서 뉴턴에서 아인슈타인으로 이동하면서 다양한 시간 개념을 탐구하고 싶습니다. 그런데 지금 이 순간, 저는 여러분에게 묻고 싶습니다. 그리고 우스꽝스러운 것은 물론 우리가 시간을 논하면서 계속해서 시간에 대해 이야기한다는 것입니다. 내가 말했듯이, “지금 이 순간, 나는 당신에게 시간에 관해 질문을 하려고 합니다.”

윌첵: 탈출하기 힘들죠?

스트로가츠: 탈출하기 어렵다!

윌첵: 그것이 그들이 말하는 것입니다. 환상이라면 꽤 설득력 있는 환상이다.

스트로가츠: 그것은 매우 설득력 있는 환상이다. 그래서 제가 하려고 했던 것은 다음과 같습니다. 우리가 알고 있듯이 아인슈타인은 마하(Mach)라는 과학자/철학자로부터 많은 영향을 받았습니다. 에른스트 마하. 우리는 소리에서 마하수에 대해 이야기하지만 그것은 마하수와 같습니다. 좋아요, 하지만 그렇다면: 마하. 이 사람은 사물의 조작적 정의에 매우 관심이 있었나요? 그래서 아인슈타인은 특허청에 앉아 시간에 대해 생각하면서 이렇게 말하기 시작했습니다. "시간은 시계가 측정하는 것입니다."

그리고 당신은 그것에 대해 많은 글을 썼습니다. 기초, 저는 그것이 매우 흥미로운 일이라고 생각했습니다. 당신은 원합니다 - 이 아이디어에 대해 이야기해 주실 수 있나요? 예를 들어, 시간에 대한 좀 더 모호한 정의가 아니라 시간을 시계가 측정하는 것으로 생각해야 할까요?

윌첵: 글쎄, 우리가 근본적인 수준에서 시간에 대해 과학적으로, 효율적으로 생각하고 싶다면 그렇게 생각합니다. 하지만 조금 한정해 보겠습니다.

스트로가츠: 포장 풀기가 필요합니다.

윌첵: 영어 단어 "time"은 많은 영역을 포괄하며 "energy"와 마찬가지로 다양한 의미로 사용될 수 있습니다. 에너지는 과학적 논의의 맥락에서 매우 구체적인 것을 의미합니다. 그러나 공통 언어에서는 가장자리가 모호한 훨씬 더 넓은 의미를 갖습니다.

따라서 시간과 마찬가지로, 제가 "시간은 시계가 측정하는 것입니다"라고 말할 때, 이는 매우 유익하고 매우 정확하게 멀리까지 전달될 수 있는 과학적 시간 개념을 의미합니다. 그리고 그 말을 제대로 이해하려면 시계가 무엇인지에 대한 개념도 확장해야 합니다.

시계는 세상에서 어떤 식으로든 변하는 모든 것을 의미합니다. 왜냐하면 법칙은 이 변수의 함수에 따라 사물이 어떻게 변하는지에 따라 공식화되기 때문입니다. t. 그리고 모든 것이 변하고 상황도 다양한 방식으로 변합니다. 그들은 움직인다. 그들은 화학 반응을 겪습니다. 그들은 생물학적 의미에서 나이를 먹습니다. 그리고 주목할 만한 진술은 방정식의 이 하나의 변수가 모든 것의 기초가 된다는 것입니다.

따라서 매우 다른 원리로 작동하는 시계를 가질 수 있습니다. 태양 주위의 지구의 움직임을 모니터링하는 것을 가질 수 있습니다. 물의 흐름을 모니터링하는 것, 물시계를 가질 수 있습니다. 시청을 기반으로 시계를 가질 수 있습니다. 사람이 어떻게 늙어가는지, 인간은 나이를 먹습니다. 그것은 매우 정확한 시계는 아니지만 원칙적으로 생화학을 파헤쳐 보면 정밀하게 만들 수 있었을 텐데. 아주 다양한 종류의 시계가 있지만 모두 서로 일관성이 있습니다.

따라서 내가 시간을 시계가 측정하는 것이라고 말할 때 그것은 단순한 작동 설명 그 이상입니다. 매우 평범하지 않은 내용을 담고 있습니다. 적절하게 보정되고 이해된 모든 시계는 기반이 되는 원리가 무엇이든 상관없이 시간이 무엇인지에 대해 일관된 합의에 도달할 수 있다고 말합니다.

스트로가츠: 우리는 곧 돌아올 것이다.

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스트로가츠: '이유의 기쁨'에 다시 오신 것을 환영합니다.

여기서 철학에서 과학사로 기어를 조금 바꾸면, 특히 우리가 종종 1600년대 이후의 과학 혁명이라고 부르는 사건에서 과학의 성공 이야기의 큰 부분이 다음과 관련이 있었던 것 같습니다. 시간 측정을 꽤 잘 시작하는 능력. 갈릴레오, 호이겐스, 뉴턴, 그리고 그들의 후계자들이 좋은 진자시계가 만들어지기 시작한 것과 동시에 있었던 것은 우연이 아닙니다. 그리고 좋은 시간 측정 장치가 있기 전에는 이해하기 어려웠던 운동 법칙을 얻을 수 있었습니다.

그게 맞다고 생각하세요? 우리의 과학적 진보는 실제로 시간을 잘 측정하는 능력에 달려 있다고요?

윌첵: 확실히 도움이 되었습니다. 특히 행성이 동일한 시간에 동일한 면적을 쓸어낸다는 케플러의 법칙과 같이 행성의 규칙적인 운동을 포함하도록 시간의 정의를 확장한다면 더욱 그렇습니다. 그리고 물론 그 관찰은 케플러 법칙의 공식화에 핵심이었으며 갈릴레오의 진자 및 낙하체에 대한 연구와 함께 이 모든 것이 과학 혁명의 정점으로 이어졌습니다. 뉴턴의 고전 역학과 중력 법칙의 공식화입니다. 그렇습니다. 이 모든 것은 대체로 시간에 따른 고려 사항을 바탕으로 한 것입니다.

스트로가츠: 그렇다면 우리가 빨리 감으면(물론 여기서는 여전히 시간 말장난을 계속 유지하면서) 이제 아인슈타인으로 확대됩니다. 아인슈타인에게서 우리는 아주 이상한 일들을 보기 시작합니다. 많은 사람들에게 직관에 반하는 일들이 일어나고 있습니다.

윌첵: 글쎄요, 뉴턴의 이해를 넘어서는 중력 상호 작용에 대한 더 풍부한 설명을 공식화하고 그 이전에도 전기 역학 방정식의 대칭성을 정의하려고 노력하면서 아인슈타인은 더 유연한 시간 개념을 갖게 되었습니다.

그럼 역사적으로 가장 먼저 등장한 특수 상대성 이론부터 시작하겠습니다. 만약 여러분이 폐쇄된 실험실에 있고, 일정한 속도로 서로에 대해 움직이는 실험실 내에서 실험을 수행했다면, 그 속도가 무엇이든 동일한 법칙에 도달하게 될 것입니다. 이것이 특수상대성이론의 핵심이다. 하지만 그러기 위해서는 한 사람이 시간이라고 부르는 것을 다른 사람은 공간과 시간의 혼합이라고 부르는 것으로 나타났습니다. 수학적으로 간단한 혼합물입니다. 그것은 우리가 선형 결합이라고 부르는 것이지만 확실히 공간과 시간의 혼합입니다. 따라서 이것은 시간이 무엇인지 정의하는 데 어느 정도 유연성이 있다는 아이디어를 소개합니다.

어느 정도의 시간을 사용하여 동일한 내용으로 유효한 물리 법칙을 얻을 수 있습니다. t 아니면 다른 시간에 t $라텍스 ^{프라임}$ [t-프라임], 그것은 다음의 혼합입니다 t 과 x어디로 x 위치입니다. 이것이 특수 상대성 이론이었습니다.

그리고 그것은 일종의 큰 놀라움이었습니다. 예를 들어 뉴턴은 시간을 하나의 사물로 생각했기 때문입니다. 뉴턴은 매우 신학자였으며 자신이 하는 일이 하나님이 어떻게 일하시는지를 이해하는 것이라고 생각했습니다. 그리고 그는 하나님을 세상에 자신의 심리적 시간을 부과하는 것으로 생각했습니다. 시간에 대해 다른 유효한 정의가 있을 수 있다는 생각은 뉴턴에게는 매우 생소했을 것입니다.

그러나 그것은 아인슈타인이 가정한 것이며, 그것은 물리학 법칙에 대한 매우 훌륭한 공식을 얻을 수 있게 하고 그 안에서 다른 방법으로는 찾기 매우 어려운 규칙성을 찾을 수 있게 해줍니다.

그리고 일반 상대론에서는 서로 다른 장소에 있는 서로 다른 사람들이 자신의 것을 선택할 수 있도록 허용하기 때문에 더욱 이상해집니다. t 버전 중 어느 것을 선택할지 결정하세요. 이를 지역 로렌츠 불변성이라고 합니다. 각 사람은 자신이 사용할 공간과 시간의 조합을 선택할 수 있습니다. 그리고 이러한 선택이 가능하도록 방정식을 공식화해야 합니다. 그들은 대칭이라고 불리는 것을 가지고 있습니다. 사람들이 다른 선택을 하면 방정식의 공식이 매우 다르게 보일지라도 그 내용은 동일할 것입니다. 그리고 오직 아주 특별한 방정식만이 그 속성을 가지고 있습니다.

그리고 아인슈타인은 놀라운 천재적 위업을 통해 그 원리로부터 개선된 중력 이론을 도출할 수 있었습니다. 시간은 공간과 합쳐지고, 전체 시공간은 휘어질 수 있다. 이러한 효과는 실험실 규모에서는 매우 작습니다. 하지만 거시적 규모에 대해 이야기할 때는 지구의 규모와 지구의 중력장, 우주, 또는 블랙홀의 공간을 휘게 하는 매우 방대한 양의 질량이 집중되어 있는 곳과 같은 매우 극단적인 조건의 규모에 대해 이야기합니다. 그러면 더 유연하고 구부릴 수 있으며 심지어 액화된 형태의 시간이 그 자체로 나타납니다.

스트로가츠: 흠. 내 말은, 상대성 이론에 대한 많은 테스트, 비행기에 원자 시계를 운반하는 실험이 있다는 것입니다. 당신이 방금 언급한 내용을 사람들이 듣지 못했다면 아마도 꽤 환상적으로 들릴 것입니다. 하지만 우리는 그것들이 모두 사실이라는 매우 훌륭하고 강력한 증거를 가지고 있습니다. 심지어 GPS 기기까지 포함해서 우리가 자동차에 사용하는 것입니다. 내 말은, 일반상대성이론과 특수상대성이론을 고려하지 않는다면…

윌첵: 글쎄, GPS는 작동하지 않을 것이다. 왜냐하면 GPS에서 정확한 시간을 얻는 것이 매우 중요하기 때문이다. GPS 시스템의 작동에서는 빛의 속도가 보편적 상수라는 사실에 의존하여 거리를 추론하기 위해 매우 정확한 타이밍을 사용합니다. 조금 지나치게 단순화했지만 이것이 기본적으로 진실입니다.

그리고 빛의 속도는 일상의 속도에 비해 매우 크므로 시간 측정 시 아주 작은 실수가 거리에 큰 변화를 가져옵니다. 따라서 시간을 다루는 방법에 있어 작은 실수를 저지르면 그 실수는 훨씬 더 큰 오류, 즉 공간에서의 중요한 오류로 확대됩니다. 따라서 GPS를 유용한 시스템으로 만들려면 시간을 매우 정확하게 처리해야 합니다.

스트로가츠: 맞습니다, 위성이 높은 곳에 있다는 사실은 중력장이 더 약하다는 것입니다. 아시다시피, GPS 시스템의 일부인 모든 위성이 저기 위로 꽤 빠르게 움직이고 있습니다. 이러한 모든 사항을 고려하고 수정해야 합니다. 저는 이것이 어떻게 우리 아인슈타인이 단지 블랙홀이나 전체 우주에 관한 것이라고 생각할 수 있는지를 보여주는 훌륭한 예라고 생각합니다. 하지만 —

윌첵: 글쎄요, 아인슈타인의 원래 특수 상대성 이론 논문으로 돌아가면 그가 원할 경우 서로 다른 관측소를 동기화하고 상관시켜 공간과 시간의 정의에 동의할 수 있다고 말하는 것은 정말 놀랍습니다. 그리고 약간의 유머 감각으로 그가 설명하는 것이 GPS 시스템이라는 것을 알 수 있습니다.

스트로가츠: 와우.

윌첵: 사람들은 막대와 시계를 가지고 돌아다니면서 빛의 속도를 동기화 방법으로 사용하고 거리를 측정합니다. 그것은 바로 – GPS 시스템입니다. 그렇죠.

스트로가츠: 아, 이건 생각해본 적이 없어요. 물어보고 싶은 게 너무 많아요. 암흑물질은 어떻습니까? 나는 그것이 당신이 가장 좋아하는 것 중 하나라는 것을 알고 있습니다. 그것에 대해 들어보자. 암흑물질은 시간과 어떤 관련이 있나요?

윌첵: 논리적으로 보면 시간과의 연관성은 기껏해야 미약하지만, 매우 흥미진진하고 흥미로운 이야기이고 현재 제가 깊이 관여하고 있는 이야기입니다. 그래서 암흑 물질 우리가 물질의 존재까지 추적할 수 있는 것보다 더 많은 중력, 더 많은 중력이 있는 것처럼 보이는 현상의 전체 네트워크가 있다는 관찰입니다.

그것은 우리가 수십 년 동안 다루어 왔지만 여전히 중력을 발휘하는 물질과 매우 미약하게 상호 작용하는 새로운 종류의 입자일 수 있는 것처럼 보입니다. 저는 그것이 무엇인지 알고 있다고 생각하며 이것이 좋은 생각이라는 합의가 형성되고 있습니다. 액시온(axions)이라고 불리는 것. 그리고 이제 마침내 시간이 연결됩니다.

Axions는 암흑 물질을 생성하는 방법이 아니라 법칙의 이상한 속성을 해결하는 방법으로 물리학에 도입되었습니다. 시간의 방향을 바꾸면 거의 동일하거나 거의 동일한 내용을 갖는다는 것입니다. 따라서 거시적 경험은 그런 식으로 행동하지 않지만 미시적 법칙은 그런 식으로 행동합니다.

왜? 우리는 그것에 대한 아주 좋은 이야기를 가지고 있습니다.

상대성 이론과 양자역학의 원리, 그리고 표준 모델의 깊은 대칭성(다른 힘의 본질을 지배하는 소위 게이지 대칭성)은 물질이 가질 수 있는 상호 작용을 강력하게 제한합니다. 따라서 이러한 원리가 옳다고 가정하면 물리 법칙에 대한 강력한 제한이 적용됩니다.

그리고 이러한 제한의 거의 우연한 결과로 인해 법은 시간이 지남에 따라 앞뒤로 거의 동일하게 적용되는 것으로 나타났습니다. 이는 이론적 이해의 엄청난 승리입니다.

하지만 아직 끝나지 않았습니다. 그리고 기본 법칙과 일치하는 하나의 상호 작용이 있습니다. 기본 원칙은 모든 원칙을 따르지만 시간이 지나도 되돌릴 수는 없습니다. 그리고 그 상호작용 또한 매우 작다는 사실이 밝혀졌습니다.

따라서 이를 심오하게 이해하기 위한 주요 아이디어는 또 다른 큰 원칙을 도입하는 것입니다. 이것은 이라고 불리는 것입니다. Peccei-Quinn 대칭 시간 내에 그것을 소개한 물리학자들.

그러다가 우리 중 일부는 이 새로운 원리의 결과로 제가 액시온이라고 부르는 완전히 놀라운 특성을 지닌 새로운 종류의 입자가 존재해야 한다는 예측이 있다는 것을 깨달았습니다. 이는 일반 물질과 매우 약하게 상호작용할 것으로 예상됩니다. 그리고 나서 우리는 빅뱅을 통해 방정식을 실행하면 천문학자들이 관찰한 암흑 물질을 만드는 데 딱 맞는 방식으로 생성된다는 것을 깨닫게 됩니다.

최소한 이 다른 우주론적 문제를 자동으로 해결한다는 점은 매우 고무적입니다. 그리고 지난 수십 년 동안(특히 지금은 더욱 빠른 속도로) 일어난 놀라운 일은 만약 그들이 존재한다면 이를 탐지할 실험을 설계하는 것이 가능하다는 것입니다.

실험은 매우 어렵습니다. 중성미자 탐지 문제와 비슷하지만 더 어렵습니다. 올바른 방법을 배우면 더 이상 어렵지 않게 보일 수도 있습니다. 그러나 그러한 실험이 진행되고 있습니다. 우리는 10~XNUMX년 후에 훨씬 더 많은 것을 알게 될 것입니다.

스트로가츠: 나는 당신이 10년에서 10년에 대한 언급으로 우리 쇼를 여기서 끝내는 것을 좋아합니다. 왜냐하면 나는 당신이 특히 유명하고 당신이 얻은 많은 작업에 대해 희망적으로 가슴 아프거나 감동적인 메모로 결론을 내리고 싶기 때문입니다. 노벨상은 당신의 경력 초기에 있었습니다. XNUMX~XNUMX년 안에 이러한 액시온을 측정하여 올바른 것으로 밝혀진다면 정말 즐거운 일이 아닐까요?

윌첵: 그것은 내 하루를 만들 것입니다. 그것이 내 경력의 끝이 아니기를 바라지만, 그것은 확실히 내 하루를 만들 것입니다.

스트로가츠: 음, 다시 당신과 대화할 수 있게 되어 매우 기쁩니다, 프랭크. 그래서 우리는 이론물리학자인 프랭크 윌첵(Frank Wilczek)과 시간의 신비와 아름다움에 관해 이야기를 나눴습니다. 프랭크, 오늘 우리와 함께 해주셔서 정말 감사합니다.

윌첵: 감사합니다. 그들이 말했듯이 그것은 영광이자 특권입니다.

[테마연극]

스트로가츠: 듣기 주셔서 감사합니다. "The Joy of Why"를 즐기고 계시고 아직 구독하지 않으셨다면, 듣고 있는 곳에서 구독 또는 팔로우 버튼을 누르세요. 공연에 대한 리뷰를 남길 수도 있습니다. 사람들이 이 팟캐스트를 찾는 데 도움이 됩니다.

'The Joy of Why'는 팟캐스트입니다. Quanta Magazine, 의 지원을 받아 편집적으로 독립된 출판물입니다. 시몬스 재단. Simons 재단의 자금 지원 결정은 이 팟캐스트나 이 팟캐스트의 주제, 게스트 또는 기타 편집 결정에 영향을 미치지 않습니다. Quanta Magazine.

<The Joy of Why>가 제작을 맡은 작품 PRX 프로덕션. 제작팀은 Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler 및 Merritt Jacob입니다. PRX Productions의 총괄 프로듀서는 Jocelyn Gonzales입니다. Morgan Church와 Edwin Ochoa가 추가 지원을 제공했습니다.

~ Quanta Magazine, John Rennie와 Thomas Lin은 Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana 및 Madison Goldberg의 지원을 받아 편집 지침을 제공했습니다.

우리의 테마 음악은 APM Music에서 나왔습니다. Julian Lin이 팟캐스트 이름을 생각해냈습니다. 에피소드 아트는 Peter Greenwood의 작품이고 로고는 Jaki King과 Kristina Armitage의 작품입니다. Columbia Journalism School과 Cornell Broadcast Studios의 Bert Odom-Reed에게 특별히 감사드립니다.

저는 호스트인 Steve Strogatz입니다. 질문이나 의견이 있으시면 다음 주소로 이메일을 보내주세요. [이메일 보호]. 듣기 주셔서 감사합니다.