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.
Các phương pháp đo thời gian cổ xưa nhất là quan sát chu kỳ của tự nhiên, dùng những thay đổi kiểu mẫu từ ngày sang đêm, từ mùa này sang mùa khác để tạo ra lịch. Các công cụ chính xác hơn, như đồng hồ mặt trời và đồng hồ cơ dần xuất hiện, giúp việc đo lường thời gian trở nên dễ dàng hơn. Nhưng chính xác thì ta đo lường cái gì? Liệu thời gian là một thực thể vật lý hay chỉ là một ý niệm trong đầu chúng ta? Thoạt tiên, câu trả lời có vẻ hiển hiện, dĩ nhiên là thời gian tồn tại; nó lúc nào chẳng bày ra trước mắt, và thật khó thể tưởng tượng một vũ trụ không có thời gian.
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.
Nhưng hiểu biết của ta về thời gian, nhờ Einstein, đã bắt đầu trở nên phức tạp. Thuyết tương đối của ông cho ta biết con người ai cũng cảm nhận thời gian trôi, nhưng thời gian không phải lúc nào cũng trôi cùng một tốc độ trong tất cả các tình huống, như những người di chuyễn với tốc độ gần bằng với tốc độ ánh sáng hoặc quay quanh một siêu lỗ đen. Einstein đã giải mã được tính uốn cong của thời gian bằng cách kết hợp nó với không gian tạo thành không-thời gian, có thể uốn cong, nhưng vận hành một cách nhất quán,
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.
và có thể đoán trước. Lý thuyết của Einstein dường như thừa nhận thời gian quyện chặt vào kết cấu của vũ trụ. Nhưng có một câu hỏi lớn chưa được lý giải trọn vẹn: Tại sao ta có thể di chuyển trong không gian theo bất kỳ hướng nào, nhưng trong thời gian, chỉ một hướng duy nhất? Dù có làm gì đi nữa, quá khứ luôn luôn kiên quyết ở lại phía sau chúng ta. Đây được gọi là hướng thời gian.
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.
Khi một giọt màu thực phẩm rơi vào ly nước, theo bản năng, ta biết màu sẽ từ giọt màu, lan rộng khắp ly. Hãy tưởng tượng chứng kiến điều ngược lại. Ở đây, ta thấy thời gian không thể quay ngược. Ta sống trong một vũ trụ nơi màu thực phẩm lan ra trong nước, không phải nơi chúng tụ lại với nhau.
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.
Trong vật lý, điều này được mô tả bởi định luật nhiệt động lực học thứ hai, nói rằng theo thời gian hệ sẽ trở nên hỗn loạn, hay tăng entropy. Các hệ trong vũ trụ của ta chuyển từ trạng thái trật tự sang hỗn loạn, và chính các đặc tính đó của nó quyết định hướng thời gian.
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.
Vậy nếu thời gian là một đặc tính cơ bản, nó sẽ phải có mặt trong các phương trình cơ bản của chúng ta để mô tả vũ trụ, đúng chứ? Chúng ta hiện có hai hệ phương trình chi phối ngành vật lý. Thuyết tương đối rộng mô tả sự vận hành của những vật thể lớn, và vật lý lượng tử để giải thích cho những thứ vi mô. Một trong những mục tiêu lớn nhất của vật lý lý thuyết trong nửa thế kỷ qua là dung hợp hai thuyết này tạo thành "thuyết vạn vật". Đã có nhiều cố gắng, dù vẫn chưa có lý thuyết nào được chứng minh, xem xét thời gian theo những cách khác nhau. Khá lạ lùng, một lý thuyết gây tranh cãi gọi là phương trình Wheeler-DeWitt, hoàn toàn không chứa thời gian.
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.
Giống như thuyết vạn vật hiện nay, phương trình này chỉ là sự suy đoán. Nhưng trong thử nghiệm tưởng tượng, nếu nó hoặc một phương trình tương tự bỏ qua thời gian là đúng, nghĩa là có chăng thời gian không tồn tại ở cấp độ cơ bản? Liệu thời gian có thể chỉ là một loại ảo ảnh được tạo ra bởi những hạn chế trong cách ta nhận thức vũ trụ? Chưa thể biết, nhưng có lẽ đó là một cách nghĩ sai. Thay vì hỏi liệu thời gian có tồn tại như một đặc tính cơ bản, có thể nó tồn tại như một thể đột sinh. Các thuộc tính đột sinh là những thứ không tồn tại
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.
trong từng phần của một hệ thống, nhưng lại xuất hiện khi hệ thống đó là một thể hoàn chỉnh. Không thể có thủy triều trong mỗi phân tử nước riêng lẻ, nhưng có thể trong đại dương mênh mông.
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?
Phim ảnh tạo ra sự thay đổi theo thời gian bằng cách sử dụng một loạt các hình ảnh tĩnh liên tục thay đổi như thể một dòng chảy, Lật chúng đủ nhanh, não của ta cảm nhận được sự biến đổi thời gian từ chuỗi các hình ảnh tĩnh. Không có bất kì một khung hình nào của bộ phim thay đổi hoặc có chứa thời gian, nhưng thuộc tính đó xuất hiện khi các mảnh ghép được xâu chuỗi với nhau. Chuyển động là có thật, nhưng cũng là ảo ảnh. Có khi nào tính chất vật lý của thời gian cũng là một ảo ảnh?
Physicists are still exploring these and other questions, so we’re far from a complete explanation.
Các nhà vật lý vẫn đang tìm hiểu vấn đề này cùng với những điều khác.
At least for the moment.
Lời giải thích vẹn toàn vẫn còn cách ta rất xa