למה הזמן עובר אחרת בחלל? כך אסטרונאוטים מזדקנים לאט יותר

דמיינו שני אחים תאומים שנולדו באותו רגע בדיוק. אחד נשאר על כדור הארץ, השני טס למסע מהיר בחלל וחוזר אחרי שנה. כשהם נפגשים שוב, אחד מהם צעיר יותר מהשני.

זה נשמע כמו תסריט של סרט מדע בדיוני, אבל זה קרה במציאות, וזו בדיוק הסיבה למה הזמן עובר אחרת בחלל. הזמן לא זורם באותו קצב בכל מקום ביקום. הוא מושפע משני דברים: כמה מהר אתם נעים, וכמה חזק כוח הכבידה שפועל עליכם.

ככל שנעים מהר יותר, הזמן עובר מעט לאט יותר ביחס למי שנשאר במקום. ככל שנמצאים קרוב יותר למקור כבידה חזק, הזמן שוב מאט. לתופעה הזאת קוראים התארכות זמן, ובאנגלית Time Dilation.

לפני שאתם מדמיינים אסטרונאוט שחוזר בן עשרים בזמן שחבריו כבר בני מאה, כדאי לדעת: בחיים האמיתיים ההבדלים זעירים. ובכל זאת, הם אמיתיים מספיק כדי לשנות את הדרך שבה עובדים לוויינים, שעונים אטומיים וניווט בטלפון שלכם.

קודם כל: לא כל מי שנמצא בחלל מזדקן פתאום לאט

המשפט בחלל הזמן עובר אחרת נכון, אבל הוא גם מטעה. עצם היציאה מהאטמוספרה לא משנה את הזמן. מה שקובע הוא המהירות שבה אתם נעים וכוח הכבידה שפועל עליכם.

אסטרונאוט בתחנת החלל הבינלאומית נע במהירות עצומה סביב כדור הארץ, בערך 28 אלף קילומטר בשעה. בגלל המהירות הזאת השעון שלו מתקדם מעט לאט יותר מהשעון של אדם על הקרקע. מצד שני הוא נמצא גבוה יותר, במקום שבו הכבידה חלשה מעט, וזה דווקא מאיץ את השעון שלו.

שני האפקטים פועלים יחד בכיוונים מנוגדים. בתחנת החלל השפעת המהירות מנצחת, ולכן אסטרונאוטים חוזרים צעירים במידה זעירה לעומת מי שנשארו על הקרקע. אי אפשר להרגיש בזה או לראות את זה במראה, אבל במדידה מדויקת ההבדל קיים.

המקרה של סקוט קלי: כמה צעיר הוא חזר מהחלל

הדוגמה הכי מפורסמת מגיעה מנאס"א. האסטרונאוט סקוט קלי בילה 340 יום רצופים בתחנת החלל הבינלאומית, בין מרץ 2015 למרץ 2016. אחיו התאום מארק קלי, גם הוא אסטרונאוט, נשאר על כדור הארץ. זאת הזדמנות נדירה למדוד את ההבדל בין שני תאומים זהים.

התוצאה לפי תורת היחסות מפתיעה בקטנותה: כשסקוט חזר, הוא היה צעיר מאחיו בערך בחמש אלפיות השנייה. כן, קראתם נכון, אלפיות השנייה בלבד אחרי שנה שלמה במסלול. זה מזכיר לנו כמה קטן האפקט במהירויות שבני אדם מסוגלים להגיע אליהן היום.

יש כאן פרט חשוב. מחקר התאומים של נאס"א מצא שדווקא הסביבה הקשה בחלל, קרינה, חוסר כבידה ולחץ פיזי, האיצה תהליכי הזדקנות תאיים אצל סקוט. כלומר מבחינת השעון הוא צעיר יותר, אבל מבחינת הגוף המסע גבה מחיר. התארכות הזמן היא רק חלק מהתמונה.

מהירות משנה את הזמן, אבל לא כמו שדמיינתם

תמונת המחשה שנוצרה בבינה מלאכותית

אלברט איינשטיין הציג בתחילת המאה העשרים את תורת היחסות הפרטית. אחד הרעיונות המרכזיים בה: ככל שעצם נע מהר יותר, הזמן עבורו עובר לאט יותר ביחס למי שנמצא במנוחה יחסית אליו.

אבל שימו לב, מי שיושב בתוך החללית לא מרגיש שהזמן נעצר. השעון שלו מתקתק רגיל, הלב פועם רגיל, הוא אוכל, ישן וחושב כרגיל. מבחינתו דקה היא דקה ושעה היא שעה.

ההבדל מתגלה רק כשמשווים שני שעונים שנעו במסלולים שונים. מי שטס במהירות אדירה וחזר, עבר עליו פחות זמן מזה שנשאר במקום. במהירויות היומיומיות שלנו, הליכה, מכונית או מטוס, האפקט קטן כל כך שאין סיכוי להרגיש בו. כדי שהפער יהיה משמעותי צריך להתקרב מאוד למהירות האור.

וזה לא נשאר בגדר תיאוריה. עוד בשנת 1971 שני חוקרים, ג'וזף האפלה וריצ'רד קיטינג, לקחו שעונים אטומיים והטיסו אותם סביב העולם במטוסי נוסעים רגילים. כשהשוו את השעונים הטסים לשעונים שנשארו במעבדה, הם מצאו הפרש זעיר של מיליארדיות שנייה, בדיוק בגודל שתורת היחסות ניבאה. הזמן באמת זז אחרת עבור מי שטס.

אז אפשר באמת לנסוע לעתיד?

במובן מסוים כן. אם הייתם טסים בחללית במהירות קרובה מאוד למהירות האור, עבורכם היו עוברות שנים בודדות בזמן שעל כדור הארץ יעברו עשורים. כשתחזרו, הגעתם לעתיד של כולם.

אבל אין כאן מכונת זמן עם כפתורים. אתם לא בוחרים שנה ולא נעלמים בענן עשן. אתם פשוט נעים כל כך מהר שהזמן שלכם מתקדם בקצב שונה מזה של הנשארים מאחור.

הבעיה היא טכנולוגית. אנחנו עדיין רחוקים מאוד מהיכולת לשגר בני אדם למהירויות כאלה. החלליות המהירות ביותר של ימינו נעות במהירות זעירה יחסית למהירות האור, ולכן מדובר בהפרשים קטנטנים, לא בקפיצה דרמטית לעתיד.

ומה הקשר לכבידה?

כאן נכנסת תורת היחסות הכללית. לפי איינשטיין, כבידה לא רק מושכת עצמים, היא גם קובעת את קצב הזמן. ככל שאתם קרובים יותר לגוף בעל כבידה חזקה, הזמן מתקדם מעט לאט יותר.

זה קורה גם עליכם, ממש עכשיו. הראש שלכם רחוק מעט יותר ממרכז כדור הארץ מהרגליים, ולכן הוא מזדקן במידה מיקרוסקופית מהר יותר. ההבדל כל כך קטן שאי אפשר לתפוס אותו, אבל שעון מדויק כן.

מכון התקנים האמריקאי NIST הוכיח זאת בניסוי מרשים. חוקרים הציבו שני שעונים אטומיים בהפרש גובה של כשלושים סנטימטרים בלבד, וגילו שהם מתקתקים בקצב מעט שונה. השעון הגבוה יותר רץ מעט מהר יותר. הוכחה חיה שהזמן אינו קבוע לחלוטין.

למה GPS לא היה עובד בלי איינשטיין?

אחת ההוכחות הכי מוחשיות לתורת היחסות נמצאת בכיס שלכם, במערכת הניווט של הטלפון. לווייני GPS מקיפים את כדור הארץ ונושאים שעונים אטומיים מדויקים במיוחד.

הם נעים מהר, ולכן לפי תורת היחסות הפרטית השעונים שלהם אמורים להאט. אבל הם גם גבוה מאוד, במקום עם כבידה חלשה, ולכן לפי תורת היחסות הכללית הם אמורים להאיץ. שני האפקטים לא מתקזזים בדיוק.

בסך הכול, שעוני הלוויינים רצים מהר יותר מהשעונים על הקרקע, בערך 38 מיליוניות של שנייה בכל יום. נשמע כמו כלום, אבל במערכת שמחשבת מיקום לפי זמן הגעת אותות, טעות כזאת מצטברת מהר. בלי תיקון, הניווט שלכם היה סוטה בכמה קילומטרים כבר אחרי יום. לכן כל מקלט GPS כולל תיקון קבוע של תורת היחסות.

כל פעם שאתם פותחים ניווט, מזמינים מונית או בודקים איפה החבילה שלכם, אתם נהנים מטכנולוגיה שעובדת רק כי מהנדסים לקחו ברצינות את העובדה שהזמן לא זורם אותו דבר בכל מקום.

ומה קורה ליד חור שחור?

ככל שהכבידה חזקה יותר, כך התארכות הזמן חזקה יותר. ליד עצמים קיצוניים כמו כוכבי נייטרונים או חורים שחורים ההבדלים ענקיים לעומת מה שקורה ליד כדור הארץ. לצופה מרוחק, שעון שקרוב מאוד לחור שחור נראה כאילו כמעט קפא.

אבל חשוב לא לבלבל בין פיזיקה לבין קולנוע. חור שחור הוא לא שער קסם שבו בוחרים שנת נחיתה, אלא אזור מסוכן וקיצוני שאף מסע אנושי לא מסוגל להתקרב אליו כיום. נאס"א מסבירה שגם על כדור הארץ קיימת התארכות זמן זעירה מהכבידה, ורק בסביבות קיצוניות היא הופכת דרמטית.

אז למה הזמן עובר אחרת בחלל, וזה מרגיש כל כך מוזר?

כי בחיים הרגילים הזמן נראה לנו אחיד. כולנו מסתכלים על אותו שעון, מחכים לאותו אוטובוס ומרגישים שהעולם מתקדם בקצב אחד. אבל היקום לא עובד לפי שעון ענק אחד שתלוי איפשהו בחלל.

הזמן קשור למקום, למהירות ולכבידה. וזה החלק הכי מסקרן: תורת היחסות לא אומרת שהזמן הוא אשליה. היא אומרת שהזמן אמיתי לגמרי, אבל לא מוחלט כמו שחשבנו פעם.

אז כן, אסטרונאוטים מזדקנים מעט אחרת. לא מספיק כדי לחזור צעירים בעשרים שנה, אבל מספיק כדי להזכיר לנו שהדבר הכי שגרתי בעולם, הזמן, הוא גם אחד המסתוריים ביקום. בפעם הבאה שתסתכלו על השעון, שווה לזכור שהוא מספר לכם רק חצי מהסיפור.

שאלות ותשובות

כמה צעיר יותר חוזר אסטרונאוט מהחלל?

ההבדל זעיר. האסטרונאוט סקוט קלי חזר צעיר מאחיו התאום בערך בחמש אלפיות השנייה בלבד, אחרי 340 יום בתחנת החלל. במהירויות שבני אדם מגיעים אליהן היום, מדובר בהפרש שאי אפשר להרגיש.

האם GPS באמת תלוי בתורת היחסות?

כן, לחלוטין. שעוני הלוויינים רצים מהר יותר, בערך 38 מיליוניות של שנייה בכל יום. בלי תיקון יחסותי קבוע, מערכת הניווט הייתה סוטה בכמה קילומטרים תוך יממה אחת.

אפשר לנצל את התארכות הזמן כדי לנסוע לעתיד?

תיאורטית כן, אם נטוס במהירות קרובה למהירות האור. בפועל אנחנו רחוקים מאוד מיכולת טכנולוגית כזאת, ולכן כיום מדובר בהפרשים של שברירי שנייה בלבד, לא בקפיצה של ממש קדימה בזמן.