Thời gian dường như tuyến tính đối với chúng ta: Chúng ta nhớ về quá khứ, trải nghiệm hiện tại và dự đoán tương lai, di chuyển liên tục từ khoảnh khắc này sang khoảnh khắc tiếp theo. Nhưng tại sao lại như vậy, và liệu thời gian cuối cùng có phải là một loại ảo ảnh? Trong tập này, nhà vật lý đoạt giải Nobel Frank Wilczek nói chuyện với chủ nhà Steven Strogatz về nhiều “mũi tên” thời gian và tại sao hầu hết chúng dường như không thể đảo ngược, bản chất của đồng hồ là gì, Einstein đã thay đổi định nghĩa của chúng ta về thời gian như thế nào và mối liên hệ bất ngờ giữa thời gian và quan niệm của chúng ta về vật chất tối có thể là gì.

Lắng nghe về Podcast của Apple, Spotify, Google Podcasts, TuneIn hoặc ứng dụng podcasting yêu thích của bạn, hoặc bạn có thể truyền nó từ Quanta.

Bảng điểm

STEVEN STROGATZ: Tất cả chúng ta đều nhận thức được thời gian đang trôi qua. Chúng ta cảm nhận được điều đó qua sự thay đổi của các mùa, nhịp điệu của bài hát và điệu nhảy, con cái chúng ta lớn lên và già đi. Dù muốn hay không, thời gian là một phần cơ bản của cuộc sống. Và qua nhiều thiên niên kỷ, các nhà khoa học thường coi thời gian là một thứ một chiều, một mũi tên luôn tiến về phía trước, không bao giờ lùi lại. Nhưng càng nhìn gần thời gian, chúng ta càng thấy nó phức tạp và bí ẩn hơn. Các nhà khoa học ngày nay đang bị chia rẽ về việc liệu thời gian, hay ít nhất là trải nghiệm của chúng ta về nó, là thực hay ảo tưởng. Có lẽ chúng ta không thực sự di chuyển xuyên thời gian. Có lẽ hiện tại, quá khứ và tương lai đều có thật như nhau.

[Vở kịch chủ đề]

Tôi là Steve Strogatz và đây là “The Joy of Why”, một podcast từ Tạp chí Quanta, nơi người đồng tổ chức của tôi, Janna Levinvà tôi lần lượt khám phá một số câu hỏi chưa có lời giải lớn nhất trong toán học và khoa học ngày nay.

Trong tập này, chúng tôi sẽ hỏi nhà vật lý lý thuyết Frank Wilczek, "Mấy giờ?" Trước đây chúng ta đã định nghĩa nó như thế nào? Và vật lý lượng tử có thể định nghĩa lại nó như thế nào trong tương lai?

Frank là Giáo sư Vật lý Herman Feshbach tại MIT, giáo sư xuất sắc tại Đại học bang Arizona và giáo sư tại Đại học Stockholm. Anh ấy là người chiến thắng trong Giải Nobel 2004 về Vật lý và Giải thưởng Templeton năm 2022. Và ông là tác giả của nhiều cuốn sách, trong đó có cuốn gần đây nhất, Nguyên tắc cơ bản: Mười chìa khóa dẫn đến thực tế. Frank, chào mừng đến với “Niềm vui của Tại sao”.

FRANK WILZEK: Cảm ơn bạn. Hạnh phúc khi được ở đây.

STROGATZ: Vâng, tôi rất vui được trò chuyện với bạn lần nữa. Tôi yêu toàn bộ cuốn sách của bạn Nguyên tắc cơ bản, và lời giải thích mà bạn đưa ra về thời gian cũng như cách suy nghĩ về thời gian đối với tôi là một trong những lời giải thích sâu sắc và đẹp đẽ nhất. Nhưng tôi muốn bắt đầu bằng một câu hỏi cá nhân về trải nghiệm của bạn về thời gian, với tư cách là một người con, một người, một người chồng, tôi không biết. Bạn trải nghiệm thời gian như thế nào với tư cách là một con người, và nó có khác với cách bạn trải nghiệm nó với tư cách là một nhà khoa học không?

WILZEK: Chà, năm nay tôi đã đối mặt với thời gian một cách rất tốt đẹp. Đây là lễ kỷ niệm 50 năm bài báo khoa học đầu tiên của tôi và cũng không phải ngẫu nhiên, ngày cưới của tôi. Đã 50 năm rồi…

STROGATZ: (cười) Ồ.

WILZEK: Và tôi đã suy ngẫm về thời gian trôi qua và du hành ngược thời gian để xem lại những khoảnh khắc quan trọng đó.

Đó là một câu hỏi rất thú vị mà bạn đặt ra, thời điểm nó xuất hiện trong các phương trình của chúng ta là… Chà, đó là biến số chính, theo đó thế giới mở ra. Vì vậy nó là một biểu tượng, t, xuất hiện trong phương trình của chúng tôi. Và bằng cách tuân theo các phương trình, chúng ta có được gợi ý về những gì t là. Và điều đó cho bạn biết những đặc tính của nó, được phản ánh qua những thứ chúng ta thấy xung quanh và hành vi của chúng.

Nhưng có thể nói, thời gian có một đời sống riêng của nó bởi vì bạn có thể thảo luận về các đặc tính của nó một cách độc lập với những vật mà nó tác động lên, đặc biệt là tính đối xứng của nó.

Nhưng quay trở lại trải nghiệm về thời gian so với định nghĩa vật lý về thời gian - điều gây ra một nếp nhăn, theo nghĩa đen, là bằng cách lưu trữ thông tin về quá khứ và bằng cách nghĩ về tương lai, chúng ta có thể du hành xuyên thời gian theo những cách mà vật lý các vật thể tuân theo các phương trình vật lý thực sự không như vậy.

Chỉ có hàng xóm đúng lúc mới thực sự nói chuyện với nhau trong phương trình. Nhưng trong tâm trí chúng ta có thể lưu giữ những kỷ niệm. Hoặc chúng ta có thể nghĩ về tương lai. Chúng ta thực sự có thể du hành xuyên thời gian.

STROGATZ: Thật tuyệt. Rằng có điều gì đó trong các phương trình mà chúng ta chỉ mong chờ một cách vô cùng nhỏ nhặt. Như bạn nói, quan trọng là hàng xóm đúng lúc phải không? Các điều kiện hiện tại dự đoán điều gì sẽ xảy ra ở thời điểm lân cận trong tương lai.

WILZEK: Đúng, chắc chắn trong khuôn khổ luật cơ bản được hiểu hiện nay, đó là cách nó hoạt động. Thật thú vị khi suy đoán rằng cuối cùng có thể có một cấu trúc toàn cầu hơn, có những điều kiện mà chúng ta chưa nắm bắt được khiến cho sự mở ra của vũ trụ là tất yếu và độc đáo.

Nhưng như hiện nay, các quy luật cho bạn biết trạng thái của thế giới tại một thời điểm sẽ diễn ra như thế nào vào thời điểm tiếp theo.

STROGATZ: Bạn sẽ nói những bí ẩn lớn nhất về thời gian là gì?

WILZEK: Tôi nghĩ có một bí ẩn rất hữu ích, và tôi nghĩ có lẽ chúng ta đã đạt được nhiều tiến bộ trong việc làm sáng tỏ, đó là các định luật vật lý cơ bản có vẻ như là gần như có thể đảo ngược theo thời gian, mặc dù kinh nghiệm hàng ngày về thế giới thì không.

Vì vậy, điều đó đặt ra hai câu hỏi, đó là: Làm thế nào bạn có thể rút ra được từ những định luật cơ bản có tính chất thuận nghịch đó để trải nghiệm, còn điều thực chất là không có?

Và thứ hai, tại sao luật pháp lại có đặc tính đó khi không những không cần thiết phải mô tả kinh nghiệm mà còn hơi bối rối? Nó đặt ra một vấn đề, một thách thức. Làm thế nào chúng ta có thể dung hòa đặc tính đó của các quy luật với kinh nghiệm, điều dường như, nếu không nói là mâu thuẫn, thì ít nhất cũng căng thẳng với nó.

Đó là hai vấn đề lớn mà tôi nghĩ thực tế đã được giải quyết phần lớn nhưng vẫn rất hiệu quả, đặc biệt là vấn đề thứ nhất: Tại sao luật pháp lại như vậy?

Và sau đó, một vấn đề thậm chí còn lớn hơn, mà - hay một vấn đề thậm chí còn bí ẩn và sâu sắc hơn, là cách chúng ta hình thành mô tả về thế giới hiện nay - dưới dạng những quy luật cho bạn biết thế giới diễn ra như thế nào từ thời điểm này sang thời điểm khác - đó là hoàn thành?

Về mặt triết học, nó có vẻ không thỏa đáng vì nó chia mô tả thế giới thành hai phần. Một là các phương trình và hai là trạng thái của thế giới tại một thời điểm mà bạn phải đưa vào bằng cách nào đó để bắt đầu mọi thứ.

STROGATZ: Vậy hãy xem liệu tôi có hiểu được điều này không. Các câu hỏi đặt ra là tại sao các định luật lại có đặc tính gần như có thể đảo ngược này.

WILZEK: Vâng.

STROGATZ: Chúng ta có thể đặt câu hỏi về “phương trình so với điều kiện ban đầu”.

WILZEK: Vâng vâng.

STROGATZ: Một số người ngoài kia sẽ biết rằng bạn đang nói điều kiện ban đầu mà không cần nói ra.

WILZEK: Đúng.

STROGATZ: Và còn có biệt ngữ này nữa, “mũi tên thời gian,” về - mà theo trải nghiệm của chúng tôi, chúng tôi có cảm giác như thời gian chỉ trôi về phía trước. Và bạn nói rằng người ta cảm thấy như nó có độ phân giải tốt. Chúng ta nghĩ chúng ta hiểu được mũi tên của thời gian.

WILZEK: Tôi nghĩ vậy. Đó là một câu chuyện dài và ngày càng thuyết phục hơn theo thời gian. Nhưng tôi nghĩ rõ ràng có nhiều mũi tên thời gian khác nhau, nhiều cách khác nhau mà tương lai khác với quá khứ. Chắc chắn là có hiện tượng tâm lý. Ngoài ra, định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Nó cho bạn biết rằng mọi thứ trở nên ngẫu nhiên hơn, nói một cách đại khái nhưng cũng có một công thức chính xác. Có mũi tên bức xạ của thời gian, bức xạ đó có xu hướng đi ra khỏi vật thể và không đi vào. Có mũi tên thời gian này gắn liền với sự tiến hóa của sự sống. Và nhiều thứ khác bạn có thể phát minh ra một cách nhanh chóng. Nhìn đâu cũng thấy mũi tên thời gian. Có sự bất cân xứng giữa tương lai và quá khứ.

Nhưng bây giờ tôi nghĩ tất cả chúng - chúng ta có thể gói chúng lại thành một mũi tên. Giống như “Chiếc nhẫn thống trị tất cả”, có một mũi tên thống trị tất cả và đó là mũi tên vũ trụ của thời gian.

Và vì vậy, bạn có thể nói rằng chúng tôi đã giải đáp được bí ẩn, nhưng tôi nghĩ sẽ chính xác hơn khi nói rằng chúng tôi đã gói gọn tất cả những bí ẩn đó thành một, đó là: Tại sao ngay từ đầu lại có Vụ nổ lớn?

Lực hấp dẫn thích mọi thứ kết tụ lại, nhưng vũ trụ sơ khai vào thời điểm Vụ nổ lớn trong không gian rất, rất đồng nhất. Vì vậy, trọng lực đã mất cân bằng. Và những gì đã xảy ra kể từ đó là lực hấp dẫn đang cố gắng thiết lập lại trạng thái cân bằng.

Vì vậy, vật chất giãn nở và nguội đi, sau đó nó kết tụ lại và tạo ra (cuối cùng) các ngôi sao bắt đầu giải phóng năng lượng hạt nhân và các hành tinh mà sinh vật có thể tiến hóa trên đó. Có một câu chuyện rất hợp lý và rất chi tiết, sắp xếp tất cả các mũi tên theo một mũi tên của sự tiến hóa vũ trụ.

STROGATZ: Tôi thấy rất — thậm chí không chắc mình sẽ đặt tính từ nào cho điều này, nhưng ý tưởng rằng trải nghiệm về thời gian của chúng ta chỉ chảy từ hiện tại đến tương lai và rằng những quả trứng không tự sắp xếp lại được và đại loại như vậy, rằng đây là bằng cách nào đó gắn liền với sự tiến hóa của toàn bộ vũ trụ từ trạng thái đồng nhất nóng bỏng cho đến khối hiện tại, bạn biết đấy, đầy thiên hà, ngôi sao… Thật hoang đường khi nghĩ rằng những thứ dường như quá xa vời đó đang ảnh hưởng đến chứng đau lưng của tôi khi tôi là một ông già, ông biết không? Giống như, thực sự, phải không? Cuối cùng, đó là những gì bạn đang nói.

WILZEK: Đó chắc chắn không phải là một câu chuyện hiển nhiên và nếu không có hàng núi bằng chứng được phát triển trong suốt quá trình khoa học hiện đại thì điều đó thật khó tin. Vì vậy, nó hoàn toàn đáng kinh ngạc.

STROGATZ: Nếu mọi thứ không thay đổi - chẳng hạn như nếu chúng ta có thể tưởng tượng ra một thí nghiệm tưởng tượng nào đó mà không có gì thay đổi, liệu thời gian có còn tồn tại không? Thời gian có tồn tại tách biệt khỏi các sự kiện không? Hay thời gian là một loại thước đo nào đó cho thấy mọi thứ đang thay đổi?

WILZEK: Chà, bạn chắc chắn có thể tưởng tượng - và trên thực tế, bạn có thể xây dựng lời giải của các định luật vật lý cơ bản - phù hợp với tất cả các nguyên tắc cơ bản mà chúng ta biết khi không có gì xảy ra, và t vẫn là một thành phần của những phương trình đó --

STROGATZ: Vậy một vũ trụ trống rỗng vẫn có thời gian?

WILZEK: Vâng, thời gian vẫn còn trong phương trình. Và bạn có thể hỏi, ngay cả trong tình huống đó, câu hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu bạn gây ra một chút xáo trộn trong trạng thái cân bằng phổ quát này? Và rồi thời gian sẽ được tiết lộ. Vì vậy, thời gian có thể tiềm ẩn, nhưng dường như vẫn cần thiết trong việc xác định tình hình là gì. Chúng ta đang nói về một cái gì đó không phụ thuộc vào thời gian, nhưng bạn không thể hình thành điều đó mà không nói rằng có cái gì đó mà nó có thể phụ thuộc vào mà nó không có.

STROGATZ: Đó đã là một câu trả lời thú vị. Tôi hơi ngạc nhiên khi bạn nói điều đó. Ý tôi là, bạn thích triết học, như tôi nhớ lại. Tôi nghĩ bạn đã nghiên cứu một chút về triết học phải không?

WILZEK: Rất nghiệp dư, theo một cách rất nghiệp dư. Nhưng tôi thực sự đã suy nghĩ về điều này gần đây, ở cấp độ kỹ thuật. Nhưng hãy nghĩ về một dòng sông, dòng chảy của một dòng sông. Có hai cách mô tả khác nhau mà bạn có thể tưởng tượng về một dòng sông đang chảy một cách rất đều đặn.

Vì vậy, trong một mô tả, về mặt kỹ thuật được gọi là mô tả Euler, bạn sẽ xác định vận tốc dòng chảy ở mọi vị trí là bao nhiêu và điều đó sẽ cho bạn một mô tả đầy đủ về dòng chảy của dòng sông. Và nếu dòng chảy đều đặn thì điều đó có thể không xảy ra. Vận tốc sẽ không thay đổi theo thời gian.

STROGATZ: Đúng.

WILZEK: Tuy nhiên, có một mô tả khác gắn liền với tên tuổi của Lagrange. Đó là một dạng mô tả bên trong nơi bạn theo dõi dòng chảy của từng phân tử nước. Và sau đó những mẫu đó di chuyển với vận tốc cục bộ. Và khi thời gian trôi qua, họ ở một nơi khác, nên họ nhìn thấy một vận tốc khác. Mặc dù vận tốc ban đầu là một hàm của vị trí chứ không phải của thời gian. Nhưng nhìn từ bên trong, khi bạn đi theo dòng chảy đó thì mọi việc đang diễn ra.

Vì vậy, cả hai mô tả đều hợp lệ. Nếu chúng ta gọi dòng sông này là vũ trụ thì vũ trụ theo một nghĩa nào đó không hề thay đổi. Nhưng theo kinh nghiệm từ bên trong, nó đang thay đổi. Có rất nhiều cơ hội để phát triển năng động khi bạn ở trong sông và xuôi theo dòng chảy.

Và tôi nghĩ đó có thể là ở mức độ sâu xa hơn những gì đang diễn ra trong vũ trụ. Nếu bạn muốn có một mô tả bên trong - mô tả Lagrange, trái ngược với mô tả Euler - thì đó không phải là mâu thuẫn. Đó chỉ là một cách nhìn khác về cùng một đối tượng, cùng một thực tế từ bên trong hoặc bên ngoài. Tầm nhìn của con người và tầm nhìn của thần thánh.

STROGATZ: Tôi thực sự muốn cùng bạn khám phá, bạn biết đấy, những quan niệm khác nhau về thời gian trong lịch sử khoa học khi chúng ta chuyển từ Newton sang Einstein. Nhưng vào lúc này, tôi chỉ muốn hỏi bạn - và thật buồn cười, tất nhiên, chúng ta cứ nói về thời gian khi chúng ta thảo luận về thời gian. Giống như tôi nói, “tại thời điểm này, tôi sẽ hỏi bạn một câu hỏi về thời gian.”

WILZEK: Thật khó để trốn thoát phải không?

STROGATZ: Thật khó để trốn thoát!

WILZEK: Đó là thứ họ nói. Nếu là ảo ảnh thì đó là một ảo ảnh khá thuyết phục.

STROGATZ: Đó là một ảo tưởng rất thuyết phục. Vì vậy, đây là điều tôi đang hướng tới: Einstein, chúng ta biết, chịu ảnh hưởng rất nhiều bởi một nhà khoa học/triết học tên là Mach, Ernst Mach. Chúng ta nói về số Mach trong âm thanh, nhưng nó cũng chính là Mach đó. Được rồi, nhưng vậy: Mach. Có phải anh chàng này rất quan tâm đến các định nghĩa hoạt động của sự vật. Vì vậy, Einstein, đang ngồi trong văn phòng cấp bằng sáng chế, nghĩ về thời gian, bắt đầu nói, “Thời gian là thứ mà đồng hồ đo lường.”

Và bạn viết rất nhiều về điều đó trong Nguyên tắc cơ bản, và tôi nghĩ đó là một cách tiếp cận rất thú vị. Bạn muốn - bạn có thể nói về ý tưởng này không? Giống như, chúng ta có nên coi thời gian là thứ mà đồng hồ đo lường, trái ngược với một số định nghĩa mơ hồ hơn về thời gian không?

WILZEK: Vâng, tôi nghĩ vậy, nếu chúng ta muốn suy nghĩ một cách khoa học và hiệu quả về thời gian ở cấp độ cơ bản. Nhưng hãy để tôi đủ điều kiện nó một chút.

STROGATZ: Nó cần một số giải nén.

WILZEK: Từ “thời gian” trong tiếng Anh có rất nhiều ý nghĩa và có thể được sử dụng theo nhiều nghĩa khác nhau, giống như “năng lượng”, được chứ? Năng lượng có nghĩa là một cái gì đó rất cụ thể trong bối cảnh thảo luận khoa học. Nhưng trong ngôn ngữ thông thường, nó có ý nghĩa rộng hơn nhiều và cũng có những khía cạnh mờ nhạt.

Vì vậy, tương tự với thời gian, khi tôi nói, “thời gian là thứ mà đồng hồ đo lường”, tôi đang đề cập đến khái niệm khoa học về thời gian cực kỳ hiệu quả và có thể được truyền đi rất xa với độ chính xác cao. Và để hiểu đúng câu nói đó, bạn cũng phải mở rộng khái niệm đồng hồ là gì.

Đồng hồ là bất cứ thứ gì trên thế giới thay đổi theo bất kỳ cách nào, bởi vì các định luật được hình thành theo cách mọi thứ thay đổi như một hàm của biến này t. Và mọi thứ thay đổi, và mọi thứ thay đổi theo những cách khác nhau. Họ rời đi. Họ trải qua các phản ứng hóa học. Họ già đi theo nghĩa sinh học. Và điều đáng chú ý là chính biến số này trong các phương trình đã làm nền tảng cho tất cả.

Vì vậy, bạn có thể có những chiếc đồng hồ hoạt động theo những nguyên tắc rất khác nhau. Bạn có thể có những thứ theo dõi chuyển động của trái đất quanh mặt trời. Bạn có thể có những thứ theo dõi dòng nước, đồng hồ nước. Bạn có thể có một chiếc đồng hồ dựa trên việc xem ai đó già đi như thế nào, con người già đi. Đó sẽ không phải là một chiếc đồng hồ chính xác lắm, nhưng, về nguyên tắc, và nếu bạn đào sâu vào lĩnh vực hóa sinh, nó có thể được thực hiện chính xác. Rất nhiều loại đồng hồ khác nhau, nhưng chúng đều nhất quán với nhau.

Vì vậy, khi tôi nói thời gian là thứ mà đồng hồ đo lường, đó không chỉ là một tuyên bố hoạt động. Nó có nội dung rất không tầm thường. Nó nói rằng tất cả các đồng hồ được hiệu chỉnh và hiểu đúng cách, bất kể chúng dựa trên nguyên tắc nào, sẽ có thể đạt được thỏa thuận nhất quán về thời gian.

STROGATZ: Chúng tôi sẽ quay lại ngay.

[Nghỉ để chèn quảng cáo]

STROGATZ: Chào mừng bạn quay trở lại với “Niềm vui của Tại sao”.

Chuyển bánh răng một chút từ triết học sang lịch sử khoa học, đối với tôi, có vẻ như phần lớn câu chuyện về sự thành công của khoa học, đặc biệt là trong cái mà chúng ta thường gọi là cuộc cách mạng khoa học những năm 1600 trở về sau, có liên quan đến khả năng bắt đầu đo thời gian khá tốt. Không phải ngẫu nhiên mà Galileo, Huygens, Newton và, bạn biết đấy, những người kế nhiệm họ đều ra đời vào cùng thời điểm những chiếc đồng hồ quả lắc tốt bắt đầu được chế tạo. Và rằng bạn có thể có được các quy luật chuyển động theo cách mà bạn sẽ gặp khó khăn khi có được chúng trước khi có thiết bị chấm công tốt.

Bạn có nghĩ điều đó đúng không? Rằng - tiến bộ khoa học của chúng ta thực sự phụ thuộc vào khả năng đo thời gian tốt?

WILZEK: Nó chắc chắn đã giúp ích. Và đặc biệt nếu bạn mở rộng định nghĩa về thời gian để bao gồm chuyển động đều đặn của các hành tinh, giống như định luật Kepler rằng các hành tinh quét những diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau. Và tất nhiên quan sát đó là trọng tâm trong việc hình thành các định luật Kepler, cùng với nghiên cứu của Galileo về con lắc và các vật rơi, tất cả những điều này đã dẫn tới đỉnh cao của cuộc cách mạng khoa học: sự hình thành của Newton về cơ học cổ điển và các định luật hấp dẫn. Vì vậy, tất cả đều dựa trên những cân nhắc mà nói rộng ra là đã kịp thời.

STROGATZ: Vì vậy, nếu chúng ta tua nhanh về phía trước - tất nhiên, vẫn bám sát cách chơi chữ thời gian này ở đây - hãy phóng nhanh về phía Einstein. Ở Einstein, chúng ta thực sự bắt đầu nhận thấy một số điều rất kỳ lạ - đối với nhiều người, những điều phản trực giác đang xảy ra.

WILZEK: Vâng, khi xây dựng một mô tả phong phú hơn về tương tác hấp dẫn vượt xa sự hiểu biết của Newton, và thậm chí trước đó, khi cố gắng giải thích tính đối xứng của các phương trình điện động lực học, Einstein đã dẫn đến một khái niệm linh hoạt hơn về thời gian.

Vì vậy, hãy để tôi bắt đầu với lý thuyết tương đối đặc biệt, lý thuyết có tính lịch sử đầu tiên. Nếu bạn đang ở trong một phòng thí nghiệm kín và chỉ thực hiện các thí nghiệm trong các phòng thí nghiệm chuyển động tương đối với nhau với một vận tốc không đổi, thì bạn sẽ đi đến những định luật giống nhau, bất kể vận tốc đó là bao nhiêu. Đó là bản chất của thuyết tương đối đặc biệt. Nhưng để làm được điều đó, hóa ra cái mà người này gọi là thời gian, người kia gọi là sự kết hợp giữa không gian và thời gian. Đó là một hỗn hợp đơn giản về mặt toán học. Đó là cái mà chúng ta gọi là sự kết hợp tuyến tính, nhưng nó chắc chắn là sự kết hợp giữa không gian và thời gian. Vì vậy, điều này đưa ra ý tưởng rằng có sự linh hoạt nào đó trong việc xác định thời gian là gì.

Bạn có thể nhận được các định luật vật lý hợp lệ với cùng một nội dung bằng cách sử dụng một thời gian t hoặc một thời điểm khác, t $latex ^{prime}$ [t-nguyên tố], đó là sự kết hợp của t và x, Nơi x là vị trí. Vậy đó là thuyết tương đối đặc biệt.

Và đó là một bất ngờ lớn. bởi vì Newton, chẳng hạn, coi thời gian là một thứ. Newton thực sự là một nhà thần học và rất nghĩ rằng điều ông đang làm trong công việc của mình là tìm hiểu cách thức hoạt động của Chúa. Và anh ấy nghĩ về Chúa, bạn biết đấy, áp đặt thời gian tâm lý của Ngài lên thế giới, tôi nghĩ vậy. Đã có - ý tưởng cho rằng có thể có những định nghĩa hợp lệ khác nhau về thời gian sẽ rất xa lạ với Newton.

Nhưng đó là điều mà Einstein đã công nhận, và điều đó cho phép bạn có được những công thức rất hay về các định luật vật lý và tìm ra những quy luật trong chúng mà nếu không thì rất khó tìm được.

Và sau đó, trong thuyết tương đối rộng, nó thậm chí còn kỳ lạ hơn bởi vì bạn cho phép những người khác nhau ở những nơi khác nhau có quyền tự lựa chọn t phiên bản nào, nên chọn thời điểm nào. Đó gọi là bất biến Lorentz địa phương. Mỗi người có thể lựa chọn cho mình sự kết hợp giữa không gian và thời gian để sử dụng. Và bạn phải xây dựng các phương trình theo cách mà chúng cho phép những lựa chọn này. Chúng có cái gọi là tính đối xứng. Mặc dù việc xây dựng các phương trình sẽ rất khác nếu mọi người đưa ra những lựa chọn khác nhau nhưng nội dung của chúng sẽ giống nhau. Và chỉ những phương trình rất đặc biệt mới có tính chất đó.

Và Einstein, với một kỳ tích thiên tài đáng kinh ngạc, đã có thể - từ nguyên lý đó - rút ra một lý thuyết cải tiến về lực hấp dẫn. Thời gian trở nên hợp nhất với không gian và toàn bộ không-thời gian có thể cong. Những tác động đó là rất nhỏ ở quy mô phòng thí nghiệm. Nhưng khi bạn nói về quy mô vĩ mô - quy mô của Trái đất và trường hấp dẫn của Trái đất, hoặc vũ trụ, hoặc trong những điều kiện rất khắc nghiệt, chẳng hạn như nơi có sự tập trung khối lượng rất lớn làm cong không gian trong các lỗ đen. Sau đó, các dạng thời gian linh hoạt hơn, có thể uốn cong hoặc thậm chí hóa lỏng hơn sẽ xuất hiện.

STROGATZ: Ừm. Ý tôi là, có rất nhiều thử nghiệm về thuyết tương đối, thí nghiệm mang đồng hồ nguyên tử đi khắp nơi trên máy bay. Nếu mọi người chưa từng nghe những điều bạn vừa đề cập đến thì có lẽ nó sẽ nghe khá viển vông. Nhưng chúng ta có bằng chứng rất rõ ràng rằng tất cả đều đúng, bao gồm cả các thiết bị GPS mà chúng ta sử dụng trong ô tô của mình. Bạn biết đấy, ý tôi là, nếu thuyết tương đối tổng quát và đặc biệt, nếu chúng ta không tính đến những thứ đó…

WILZEK: Chà, GPS sẽ không hoạt động vì điều quan trọng là phải xác định chính xác thời gian trong GPS. Trong hoạt động của hệ thống GPS, bạn sử dụng thời gian rất chính xác để suy ra khoảng cách, dựa vào thực tế là tốc độ ánh sáng là một hằng số phổ quát. Tôi đang đơn giản hóa quá mức một chút, nhưng về cơ bản đây là sự thật, vâng.

Và bởi vì tốc độ ánh sáng rất lớn so với tốc độ hàng ngày, những sai sót rất nhỏ trong phép đo thời gian sẽ được phản ánh thành những thay đổi đáng kể về khoảng cách. Vì vậy, nếu bạn mắc phải những lỗi nhỏ trong cách xử lý thời gian, chúng sẽ bị phóng đại thành những lỗi lớn hơn nhiều, những lỗi quan trọng trong không gian. Vì vậy, bạn phải thực sự, thực sự chính xác trong cách xử lý thời gian của mình để biến GPS thành một hệ thống hữu ích.

STROGATZ: Đúng vậy, thực tế là các vệ tinh ở trên cao, nơi có trường hấp dẫn yếu hơn. Bạn biết đấy, có tất cả các vệ tinh là một phần của hệ thống GPS và chúng đang di chuyển khá nhanh trên đó. Tất cả những điều đó phải được tính đến và sửa chữa, và tôi chỉ nghĩ đó là một ví dụ tuyệt vời về việc, bạn biết đấy, bạn có thể nghĩ Einstein của chúng ta chỉ nói về các lỗ đen hoặc toàn bộ vũ trụ, nhưng -

WILZEK: Chà, điều thực sự đáng chú ý là nếu bạn quay lại bài báo về thuyết tương đối đặc biệt ban đầu của Einstein, ông ấy nói về việc đồng bộ hóa và tương quan các trạm khác nhau, nếu bạn thích, để họ có thể thống nhất về định nghĩa về không gian và thời gian. Và với một chút hài hước, bạn có thể thấy rằng thứ anh ấy mô tả ở đây chính là hệ thống GPS.

STROGATZ: Wow.

WILZEK: Bạn biết đấy, mọi người di chuyển xung quanh bằng que và đồng hồ và sử dụng tốc độ ánh sáng làm cách đồng bộ hóa và sau đó đo khoảng cách. Chính xác là - đó là hệ thống GPS, đúng không.

STROGATZ: Ồ, tôi chưa bao giờ nghĩ về điều này. Có rất nhiều điều tôi muốn hỏi bạn. Còn vật chất tối thì sao? Tôi biết đó là một trong những mục yêu thích của bạn. Chúng ta hãy nghe về điều đó. Vật chất tối có liên quan gì đến thời gian?

WILZEK: Về mặt logic, nó tốt nhất có một mối liên hệ mong manh với thời gian, nhưng đó là một câu chuyện rất thú vị và rất hấp dẫn và tôi đang rất hứng thú vào lúc này. Vì thế vật chất tối là quan sát cho thấy có cả một mạng lưới các hiện tượng trong đó có vẻ như có nhiều trọng lực hơn, nhiều lực hấp dẫn hơn mức chúng ta có thể tìm ra sự hiện diện của vật chất.

Có vẻ như nó có thể là một loại hạt mới tình cờ tương tác rất rất yếu với các loại vật chất mà chúng ta đã xử lý trong nhiều thập kỷ nhưng vẫn tạo ra lực hấp dẫn. Và tôi nghĩ tôi biết nó là gì, và có một sự đồng thuận đang nổi lên rằng đây là một ý tưởng hay -- thứ gọi là trục. Và bây giờ, cuối cùng, đã có sự kết nối với thời gian.

Axion được đưa vào vật lý không phải với mục đích tạo ra vật chất tối mà là để giải quyết tính chất kỳ lạ của các định luật: rằng chúng rất gần giống nhau hoặc rất gần có cùng nội dung nếu bạn thay đổi hướng thời gian. Vì vậy, mặc dù kinh nghiệm vĩ mô không hành xử theo cách đó, nhưng các định luật vi mô lại hành xử theo cách đó.

Tại sao? Chúng tôi có một câu chuyện rất hay về điều đó.

Các nguyên lý tương đối và cơ học lượng tử cũng như những đối xứng sâu sắc của Mô hình Chuẩn – cái gọi là đối xứng chuẩn chi phối bản chất của các lực khác – hạn chế một cách mạnh mẽ những tương tác mà vật chất có thể có. Vì vậy, nếu bạn cho rằng những nguyên tắc đó là đúng, bạn sẽ nhận được những hạn chế mạnh mẽ đối với các định luật vật lý.

Và hóa ra gần như là một hệ quả ngẫu nhiên của những hạn chế đó, các quy luật diễn ra gần như giống nhau theo thời gian. Vì vậy, đó là một chiến thắng to lớn của sự hiểu biết lý thuyết.

Nhưng nó vẫn chưa hoàn thành. Và có một sự tương tác nhất quán với những định luật cơ bản, những nguyên tắc cơ bản, tôi nên nói, sẽ tuân theo tất cả những nguyên tắc đó, nhưng không thể đảo ngược theo thời gian. Và người ta thấy rằng sự tương tác đó cũng rất rất nhỏ.

Vì vậy, để hiểu điều đó một cách sâu sắc, ý tưởng chủ đạo là đưa ra một nguyên tắc lớn khác. Đây là một cái gì đó được gọi là Đối xứng Peccei-Quinn sau khi các nhà vật lý đã giới thiệu nó.

Sau đó một số người trong chúng tôi nhận ra rằng do hậu quả của nguyên lý mới này, có một dự đoán rằng phải tồn tại một loại hạt mới mà tôi gọi là axion, nó có những đặc tính hết sức đáng chú ý. Người ta dự đoán nó sẽ tương tác rất yếu với vật chất thông thường. Và sau đó chúng ta nhận ra rằng nếu bạn áp dụng các phương trình trong Vụ nổ lớn, nó được tạo ra theo đúng cách để tạo ra vật chất tối mà các nhà thiên văn học đã quan sát thấy.

Ít nhất, thật đáng khích lệ khi nó tự động giải quyết vấn đề vũ trụ khác này. Và điều tuyệt vời đã xảy ra trong vài thập kỷ qua - đặc biệt là hiện nay với tốc độ ngày càng tăng - là có thể thiết kế các thí nghiệm để phát hiện ra chúng nếu chúng ở ngoài kia.

Các thí nghiệm rất khó khăn. Nó giống như vấn đề phát hiện neutrino, nhưng khó hơn - có thể một khi chúng ta học được những thủ thuật phù hợp, nó sẽ không còn khó khăn nữa. Nhưng những thí nghiệm đó đang được tiến hành. Chúng ta sẽ biết nhiều hơn nữa trong vòng 10 đến XNUMX năm nữa.

STROGATZ: Tôi thích việc bạn sẽ kết thúc chương trình của chúng ta ở đây với việc đề cập đến khoảng thời gian từ 10 đến 10 năm bởi vì tôi muốn kết thúc bằng một lời nhắn đầy hy vọng sâu sắc hoặc đầy cảm xúc rằng rất nhiều tác phẩm mà bạn đặc biệt nổi tiếng, mà bạn đã có được. giải thưởng Nobel là vào thời điểm bắt đầu sự nghiệp của ông. Sẽ là một điều thú vị nếu trong vòng XNUMX đến XNUMX năm nữa những trục này được đo lường và cho thấy là vừa phải.

WILZEK: Nó đã tạo nên ngày của tôi. Tôi hy vọng đây không phải là dấu chấm hết cho sự nghiệp của tôi nhưng nó chắc chắn sẽ tạo nên một ngày tuyệt vời cho tôi.

STROGATZ: Chà, tôi rất vui mừng được nói chuyện lại với anh, Frank. Chúng tôi đã nói chuyện với nhà vật lý lý thuyết Frank Wilczek về bí ẩn và vẻ đẹp của thời gian. Frank, cảm ơn rất nhiều vì đã ở bên chúng tôi ngày hôm nay.

WILZEK: Cảm ơn. Đó là một vinh dự và một đặc ân, như họ nói.

[Vở kịch chủ đề]

STROGATZ: Cảm ơn vì đã lắng nghe. Nếu bạn đang thưởng thức “The Joy of Why” và bạn chưa đăng ký, hãy nhấn nút đăng ký hoặc theo dõi ở nơi bạn đang nghe. Bạn cũng có thể để lại một đánh giá cho chương trình. Nó giúp mọi người tìm thấy podcast này.

“Niềm vui của Tại sao” là một podcast từ Tạp chí Quanta, một ấn phẩm độc lập về mặt biên tập được hỗ trợ bởi Quỹ Simons. Các quyết định tài trợ của Simons Foundation không ảnh hưởng đến việc lựa chọn chủ đề, khách mời hoặc các quyết định biên tập khác trong podcast này hoặc trong Tạp chí Quanta.

“Niềm vui của Tại sao” được sản xuất bởi Sản phẩm PRX. Đội ngũ sản xuất gồm có Caitlin Faulds, Livia Brock, Genevieve Sponsler và Merritt Jacob. Nhà sản xuất điều hành của PRX Productions là Jocelyn Gonzales. Morgan Church và Edwin Ochoa đã hỗ trợ thêm.

Từ Tạp chí Quanta, John Rennie và Thomas Lin cung cấp hướng dẫn biên tập, với sự hỗ trợ của Matt Carlstrom, Samuel Velasco, Nona Griffin, Arleen Santana và Madison Goldberg.

Nhạc chủ đề của chúng tôi là từ APM Music. Julian Lin đã nghĩ ra tên podcast. Hình ảnh của tập phim là của Peter Greenwood và logo của chúng tôi là của Jaki King và Kristina Armitage. Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn tới Trường Báo chí Columbia và Bert Odom-Reed tại Phòng thu Phát sóng Cornell.

Tôi là chủ nhà của bạn, Steve Strogatz. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi hoặc ý kiến ​​​​cho chúng tôi, xin vui lòng gửi email cho chúng tôi tại [email được bảo vệ]. Cảm ơn vì đã lắng nghe.