The earliest time measurements were observations of cycles of the natural world, using patterns of changes from day to night and season to season to build calendars. More precise time-keeping, like sundials and mechanical clocks, eventually came along to put time in more convenient boxes. But what exactly is it that we’re measuring? Is time something that physically exists, or is it just in our heads? At first the answer seems obvious— of course time exists; it constantly unfolds all around us, and it’s hard to imagine the universe without it.
מדידות הזמן הראשונות היו תצפיות על מחזורים של עולם הטבע, בשימוש בתבניות שינויים מיום ללילה ועונה לעונה כדי לבנות לוחות שנה. מדידת זמן יותר מדוייקת, כמו שעוני שמש ושעונים מכאניים, הגיעו לבסוף כדי לשים את הזמן בקופסאות נוחות יותר. אבל מה בדיוק אנחנו מודדים? האם זמן הוא משהו שקיים פיזית, או האם הוא רק בראשנו? בהתחלה התשובה נראית ברורה -- כמובן שזמן קיים; הוא כל הזמן מתקדם סביבנו, וקשה לדמיין את היקום בלעדיו.
But our understanding of time started getting complicated thanks to Einstein. His theory of relativity tells us that time passes for everyone, but doesn’t always pass at the same rate for people in different situations, like those travelling close to the speed of light or orbiting a supermassive black hole. Einstein resolved the malleability of time by combining it with space to define space-time, which can bend, but behaves in consistent, predictable ways.
אבל ההבנה שלנו של זמן התחילה להפוך למסובכת הודות לאינשטיין. תאוריית היחסות שלו אומרת לנו שזמן עובר עבור כולם, אבל לא תמיד עובר באותו קצב עבור אנשים במצבים שונים, כמו אלה שנעים קרוב למהירות האור או חגים סביב חור שחור סופר מסיבי. אינשטיין פתר את הגמישות של הזמן על ידי שילובו עם החלל כדי להגדיר את הזמן-חלל, שיכול להתעקם, אבל מתנהג בדרכים עקביות וצפויות.
Einstein’s theory seemed to confirm that time is woven into the very fabric of the universe. But there’s a big question it didn’t fully resolve: why is it we can move through space in any direction, but through time in only one? No matter what we do, the past is always, stubbornly, behind us. This is called the arrow of time.
התאוריה של איינשטיין נראית כמאשרת שזמן ארוג לתוך מארג היקום. אבל יש שאלה גדולה יותר שהיא לא פותרת: למה אנחנו יכולים לנוע בחלל בכל כיוון, אבל דרך הזמן רק בכיוון אחד? לא משנה מה אנחנו עושים, העבר תמיד, באופן עיקש, מאחורינו. זה נקרא חץ הזמן.
When a drop of food coloring is dropped into a glass of water, we instinctively know that the coloring will drift out from the drop, eventually filling the glass. Imagine watching the opposite happen. Here, we’d recognize time as unfolding backwards. We live in a universe where the food coloring spreads out in the water, not a universe where it collects together.
כשטיפת צבע מאכל נזרקת לתוך כוס מים, אנחנו יודעים באופן אינסטינקטיבי שהצבע יסחף מתוך הטיפה, ולבסוף ימלא את הכוס. דמיינו שאתם צופים בהפך מתרחש. פה, אנחנו נחשוב שהזמן נע אחורה. אנחנו חיים ביקום בו צבע המאכל מתפשט במים, לא יקום בו הוא נאסף.
In physics, this is described by the Second Law of Thermodynamics, which says that systems will gain disorder, or entropy, over time. Systems in our universe move from order to disorder, and it is that property of the universe that defines the direction of time’s arrow.
בפיזיקה, זה מתואר על ידי החוק השני של התרמודינמיקה, שאומר שאי הסדר במערכת, או אנטרופיה, יגדלו במשך הזמן. מערכות ביקום שלנו נעות מסדר לאי סדר, וזו התכונה הזו של היקום שמגדירה את הכיוון של חץ הזמן.
So if time is such a fundamental property, it should be in our most fundamental equations describing the universe, right? We currently have two sets of equations that govern physics. General relativity describes the behavior of very large things, while quantum physics explains the very small. One of the biggest goals in theoretical physics over the last half century has been reconciling the two into one fundamental “theory of everything." There have been many attempts —none yet proven— and they treat time in different ways. Oddly enough, one contender called the Wheeler-DeWitt equation, doesn’t include time at all.
אז אם הזמן הוא תכונה כה בסיסית, היא צריכה להיות במשוואות הכי בסיסיות שלנו שמתארות את היקום, נכון? יש לנו כרגע שני סטים של משוואות ששולטות בפיזיקה. היחסות הכללית מתארת את ההתנהגות של דברים מאוד גדולים, בעוד פיזיקה קוואנטית מסבירה את הקטנים מאוד. אחת המטרות הגדולות ביותר שלנו בפיזיקה התאורטית במשך חצי המאה האחרונה היתה לשלב את שתיהן ל"תאוריה של הכל" בסיסית. היו הרבה נסיונות -- אף אחד מהם לא מוכח -- והם מתייחסים לזמן בצורות שונות. למרבה העניין, מתמודדת אחת שנקראת משוואות ווילר-דוויט לא כוללת זמן בכלל.
Like all current theories of everything, that equation is speculative. But as a thought experiment, if it or a similarly time-starved equation turned out to be true, would that mean that time doesn’t exist, at the most fundamental level? Could time just be some sort of illusion generated by the limitations of the way we perceive the universe? We don’t yet know, but maybe that’s the wrong way of thinking about it. Instead of asking if time exists as a fundamental property, maybe it could exist as an emergent one.
כמו כל התאוריות הנוכחיות שלנו של הכל, המשוואה הזו היא ספקולטיבית. אבל כנסיון מחשבתי, אם היא או משוואה אחרת נטולת זמן היתה מסתברת כנכונה, האם זה היה אומר שזמן לא קיים, ברמה הכי בסיסית? האם זמן יכול להיות סוג של אשליה שנוצרה על ידי המגבלות של הדרך בה אנחנו תופשים את היקום? אנחנו עדיין לא יודעים, אבל אולי זו הדרך הלא נכונה לחשוב על זה. במקום לשאול אם הזמן קיים כתכונה בסיסית, אולי הוא יכול להיות קיים כתכונה נובעת.
Emergent properties are things that don’t exist in individual pieces of a system, but do exist for the system as a whole. Each individual water molecule doesn’t have a tide, but the whole ocean does.
תכונות נובעות הן דברים שלא קיימים בפיסות בודדות של מערכת, אבל קיימות במערכת ככלל. לכל מולקולת מים בודדת אין גאות, אבל לאוקיינוס שלם יש.
A movie creates change through time by using a series of still images that appear to have a fluid, continuous change between them. Flipping through the images fast enough, our brains perceive the passage of time from the sequence of still images. No individual frame of the movie changes or contains the passage of time, but it’s a property that comes out of how the pieces are strung together. The movement is real, yet also an illusion. Could the physics of time somehow be a similar illusion?
סרט יוצר שינוי בזמן בשימוש בסדרה של תמונות שנראה שיש בהן זרימה, שינוי מתמיד בינהן. אם עוברים בית התמונות מהר מספיק, המוחות שלנו קולטים את מעבר הזמן מרצף של תמונות סטטיות. אף פריים בודד של הסרט לא משתנה או מכיל את מעבר הזמן, אבל זו תכונה שנובעת מאיך שהפיסות קשורות יחד. התנועה היא אמיתית, ועדיין גם אשליה. האם הפיזיקה של הזמן יכולה להיות איך שהוא אשליה דומה?
Physicists are still exploring these and other questions, so we’re far from a complete explanation.
פיזיקאים עדיין חוקרים שאלה זו ואחרות, אז אנחנו רחוקים מהסבר שלם.
At least for the moment.
לפחות כרגע.