Câu đố về thời gian

Thời gian luôn là một vấn đề. Đầu tiên, ngay cả những bộ óc thông minh nhất cũng khó hiểu được thời gian thực sự là gì. Ngày nay, khi dường như chúng ta hiểu điều này ở một mức độ nào đó, nhiều người tin rằng không có nó, ít nhất là theo nghĩa truyền thống, sẽ thoải mái hơn.

"" Do Isaac Newton viết. Ông tin rằng thời gian chỉ có thể được hiểu thực sự bằng toán học. Đối với ông, thời gian tuyệt đối một chiều và hình học ba chiều của Vũ trụ là những khía cạnh độc lập và riêng biệt của thực tại khách quan, và tại mỗi thời điểm của thời gian tuyệt đối, mọi sự kiện trong Vũ trụ đều xảy ra đồng thời.

Với thuyết tương đối hẹp của mình, Einstein đã loại bỏ khái niệm thời gian đồng thời. Theo ý tưởng của ông, tính đồng thời không phải là mối quan hệ tuyệt đối giữa các sự kiện: những gì đồng thời trong một hệ quy chiếu này sẽ không nhất thiết phải đồng thời trong một hệ quy chiếu khác.

Một ví dụ về sự hiểu biết của Einstein về thời gian là hạt muon từ các tia vũ trụ. Nó là một hạt hạ nguyên tử không ổn định với thời gian tồn tại trung bình là 2,2 micro giây. Nó hình thành ở thượng tầng khí quyển, và mặc dù chúng ta cho rằng nó chỉ di chuyển được 660 mét (ở tốc độ ánh sáng 300 km/s) trước khi tan rã, các hiệu ứng giãn nở thời gian cho phép các muon vũ trụ di chuyển hơn 000 km tới bề mặt Trái đất. và xa hơn. . Trong hệ quy chiếu với Trái đất, muon tồn tại lâu hơn do tốc độ cao của chúng.

Năm 1907, giáo viên cũ của Einstein, Hermann Minkowski, đã giới thiệu không gian và thời gian như. Không thời gian hoạt động giống như một cảnh trong đó các hạt chuyển động trong vũ trụ tương đối với nhau. Tuy nhiên, phiên bản không thời gian này không đầy đủ (Xem thêm: ). Nó không bao gồm lực hấp dẫn cho đến khi Einstein đưa ra thuyết tương đối rộng vào năm 1916. Cấu trúc của không-thời gian là liên tục, trơn tru, cong vênh và biến dạng bởi sự có mặt của vật chất và năng lượng (2). Trọng lực là độ cong của vũ trụ, gây ra bởi các vật thể khối lượng lớn và các dạng năng lượng khác, xác định đường đi của các vật thể. Độ cong này là động, di chuyển khi các đối tượng di chuyển. Như nhà vật lý John Wheeler nói, "Không thời gian chiếm lấy khối lượng bằng cách cho nó biết cách di chuyển và khối lượng chiếm lấy không thời gian bằng cách cho nó biết cách cong."

2. Không-thời gian của Einstein

Thời gian và thế giới lượng tử

Thuyết tương đối rộng coi thời gian trôi qua là liên tục và tương đối, coi thời gian trôi qua là phổ quát và tuyệt đối trong lát cắt đã chọn. Vào những năm 60, một nỗ lực thành công trong việc kết hợp các ý tưởng không tương thích trước đây, cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng đã dẫn đến cái gọi là phương trình Wheeler-DeWitt, một bước tiến tới lý thuyết lực hấp dẫn lượng tử. Phương trình này đã giải quyết một vấn đề nhưng lại tạo ra một vấn đề khác. Thời gian không đóng vai trò gì trong phương trình này. Điều này đã dẫn đến một cuộc tranh cãi lớn giữa các nhà vật lý, mà họ gọi là vấn đề thời gian.

Carlo Rovelli (3), một nhà vật lý lý thuyết hiện đại người Ý có ý kiến ​​xác đáng về vấn đề này. “, ông đã viết trong cuốn sách “Bí mật của thời gian”.

3. Carlo Rovelli và cuốn sách của ông

Những người đồng ý với cách giải thích của Copenhagen về cơ học lượng tử tin rằng các quá trình lượng tử tuân theo phương trình Schrödinger, phương trình này đối xứng theo thời gian và phát sinh từ sự suy sụp sóng của một hàm. Trong phiên bản cơ học lượng tử của entropy, khi entropy thay đổi, không phải nhiệt chảy mà là thông tin. Một số nhà vật lý lượng tử tuyên bố đã tìm ra nguồn gốc của mũi tên thời gian. Họ nói rằng năng lượng tiêu tán và các vật thể thẳng hàng vì các hạt cơ bản liên kết khi chúng tương tác dưới dạng "rối lượng tử". Einstein, cùng với các đồng nghiệp của mình là Podolsky và Rosen, coi hành vi như vậy là không thể xảy ra vì nó mâu thuẫn với quan điểm nhân quả của chủ nghĩa hiện thực địa phương. Họ đặt câu hỏi làm thế nào các hạt ở xa nhau có thể tương tác với nhau cùng một lúc.

Năm 1964, ông phát triển một thử nghiệm thực nghiệm bác bỏ tuyên bố của Einstein về cái gọi là biến ẩn. Do đó, người ta tin rằng thông tin di chuyển giữa các hạt vướng víu, có khả năng nhanh hơn tốc độ ánh sáng có thể di chuyển. Theo như chúng ta biết, thời gian không tồn tại cho các hạt vướng víu (4).

Một nhóm các nhà vật lý tại Đại học Do Thái do Eli Megidish dẫn đầu ở Jerusalem đã báo cáo vào năm 2013 rằng họ đã thành công trong việc làm rối các photon không cùng tồn tại trong thời gian. Đầu tiên, trong bước đầu tiên, họ đã tạo ra một cặp photon vướng víu, 1-2. Ngay sau đó, họ đo độ phân cực của photon 1 (một tính chất mô tả hướng mà ánh sáng dao động) - qua đó "giết chết" nó (giai đoạn II). Photon 2 được gửi đi và một cặp 3-4 vướng víu mới được hình thành (bước III). Sau đó, photon 3 được đo cùng với photon 2 đang di chuyển theo cách sao cho hệ số vướng víu "thay đổi" từ các cặp cũ (1-2 và 3-4) thành 2-3 kết hợp mới (bước IV). Một thời gian sau (giai đoạn V) người ta đo độ phân cực của photon 4 duy nhất còn sót lại và kết quả được so sánh với độ phân cực của photon 1 đã chết từ lâu (ở giai đoạn II). Kết quả? Dữ liệu tiết lộ sự hiện diện của các tương quan lượng tử giữa các photon 1 và 4, "tạm thời không cục bộ". Điều này có nghĩa là sự vướng víu có thể xảy ra trong hai hệ lượng tử chưa bao giờ cùng tồn tại trong thời gian.

Megiddish và các đồng nghiệp của ông không thể không suy đoán về những cách giải thích có thể có đối với kết quả của họ. Có lẽ phép đo sự phân cực của photon 1 trong bước II bằng cách nào đó định hướng sự phân cực trong tương lai của 4, hoặc phép đo sự phân cực của photon 4 trong bước V bằng cách nào đó ghi đè lên trạng thái phân cực trước đó của photon 1. Theo cả hai hướng thuận và ngược, lượng tử các mối tương quan lan truyền đến khoảng trống nhân quả giữa cái chết của một photon và sự ra đời của một photon khác.

Điều này có ý nghĩa gì trên quy mô vĩ mô? Các nhà khoa học, thảo luận về những hàm ý có thể xảy ra, nói về khả năng rằng những quan sát của chúng ta về ánh sáng của các vì sao bằng cách nào đó đã quyết định sự phân cực của các photon 9 tỷ năm trước.

Một cặp nhà vật lý người Mỹ và Canada, Matthew S. Leifer tại Đại học Chapman ở California và Matthew F. Pusey tại Viện Vật lý Lý thuyết Perimeter ở Ontario, đã nhận thấy cách đây vài năm rằng nếu chúng ta không tin vào sự thật rằng Einstein. Các phép đo được thực hiện trên một hạt có thể được phản ánh trong quá khứ và tương lai, điều này trở nên không liên quan trong tình huống này. Sau khi xây dựng lại một số giả định cơ bản, các nhà khoa học đã phát triển một mô hình dựa trên định lý Bell, trong đó không gian được chuyển đổi thành thời gian. Những tính toán của họ cho thấy tại sao, giả sử rằng thời gian luôn ở phía trước, chúng ta vấp phải những mâu thuẫn.

Theo Carl Rovelli, nhận thức của con người về thời gian gắn bó chặt chẽ với cách năng lượng nhiệt hoạt động. Tại sao chúng ta chỉ biết quá khứ mà không biết tương lai? Chìa khóa, theo nhà khoa học, dòng nhiệt một chiều từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn. Một viên đá ném vào tách cà phê nóng sẽ làm lạnh cà phê. Nhưng quá trình này là không thể đảo ngược. Con người, với tư cách là một loại "máy nhiệt động", đi theo mũi tên thời gian này và không thể hiểu được hướng khác. “Nhưng nếu tôi quan sát một trạng thái vi mô,” Rovelli viết, “sự khác biệt giữa quá khứ và tương lai biến mất… trong ngữ pháp cơ bản của sự vật không có sự phân biệt giữa nguyên nhân và kết quả.”

Thời gian được đo bằng phân số lượng tử

Hoặc có lẽ thời gian có thể được lượng tử hóa? Một lý thuyết mới xuất hiện gần đây gợi ý rằng khoảng thời gian nhỏ nhất có thể tưởng tượng được không thể vượt quá một phần triệu của một phần tỷ của một phần tỷ của giây. Lý thuyết tuân theo một khái niệm ít nhất là thuộc tính cơ bản của đồng hồ. Theo các nhà lý thuyết, hệ quả của lý luận này có thể giúp tạo ra một "lý thuyết về mọi thứ".

Khái niệm về thời gian lượng tử không phải là mới. Mô hình hấp dẫn lượng tử đề xuất rằng thời gian được lượng tử hóa và có một tỷ lệ đánh dấu nhất định. Chu kỳ tích tắc này là đơn vị tối thiểu phổ quát và không có thứ nguyên thời gian nào có thể nhỏ hơn thứ nguyên này. Nó sẽ giống như thể có một trường ở nền tảng của vũ trụ xác định tốc độ chuyển động tối thiểu của mọi thứ trong đó, mang lại khối lượng cho các hạt khác. Trong trường hợp của chiếc đồng hồ vạn năng này, "thay vì cho khối lượng, nó sẽ cho thời gian," Martin Bojowald, một nhà vật lý đề xuất lượng tử hóa thời gian, giải thích.

Bằng cách mô hình hóa một chiếc đồng hồ vạn năng như vậy, ông và các đồng nghiệp của mình tại Đại học bang Pennsylvania ở Hoa Kỳ đã chỉ ra rằng nó sẽ tạo ra sự khác biệt trong đồng hồ nguyên tử nhân tạo, sử dụng các rung động nguyên tử để tạo ra kết quả chính xác nhất được biết đến. phép đo thời gian. Theo mô hình này, đồng hồ nguyên tử (5) đôi khi không đồng bộ với đồng hồ vạn năng. Điều này sẽ giới hạn độ chính xác của phép đo thời gian đối với một đồng hồ nguyên tử duy nhất, nghĩa là hai đồng hồ nguyên tử khác nhau có thể không khớp với độ dài của khoảng thời gian đã trôi qua. Cho rằng các đồng hồ nguyên tử tốt nhất của chúng ta nhất quán với nhau và có thể đo các tích tắc xuống còn 10-19 giây, hoặc một phần mười của một phần tỷ của một phần tỷ giây, đơn vị thời gian cơ bản không thể dài hơn 10-33 giây. Đây là kết luận của một bài báo về lý thuyết này xuất hiện vào tháng 2020 năm XNUMX trên tạp chí Physical Review Letters.

5. Đồng hồ nguyên tử dựa trên Lutetium tại Đại học Quốc gia Singapore.

Việc kiểm tra xem một đơn vị thời gian cơ sở như vậy có tồn tại hay không nằm ngoài khả năng công nghệ hiện tại của chúng ta, nhưng dường như vẫn dễ tiếp cận hơn so với việc đo thời gian Planck, là 5,4 × 10–44 giây.

Hiệu ứng cánh bướm không hoạt động!

Loại bỏ thời gian khỏi thế giới lượng tử hoặc lượng tử hóa nó có thể mang lại những hệ quả thú vị, nhưng hãy thành thật mà nói, trí tưởng tượng phổ biến được thúc đẩy bởi một thứ khác, cụ thể là du hành thời gian.

Khoảng một năm trước, giáo sư vật lý Ronald Mallett của Đại học Connecticut nói với CNN rằng ông đã viết một phương trình khoa học có thể dùng làm cơ sở cho cỗ máy thời gian thực. Ông thậm chí còn chế tạo một thiết bị để minh họa một yếu tố chính của lý thuyết. Ông tin rằng về mặt lý thuyết là có thể biến thời gian thành một vòng lặpmà sẽ cho phép du hành thời gian về quá khứ. Ông thậm chí còn chế tạo một mẫu thử nghiệm cho thấy laser có thể giúp đạt được mục tiêu này như thế nào. Cần lưu ý rằng các đồng nghiệp của Mallett không tin rằng cỗ máy thời gian của ông sẽ thành hiện thực. Ngay cả Mallett cũng thừa nhận rằng ý tưởng của ông hoàn toàn là lý thuyết vào thời điểm này.

Vào cuối năm 2019, Nhà khoa học mới đã báo cáo rằng các nhà vật lý Barak Shoshani và Jacob Hauser của Viện Perimeter ở Canada đã mô tả một giải pháp trong đó về mặt lý thuyết một người có thể đi từ một nguồn cấp tin tức đến lần thứ hai, đi qua thông qua một lỗ trong không-thời gian hoặc một đường hầm, như họ nói, "có thể về mặt toán học". Mô hình này giả định rằng có những vũ trụ song song khác nhau mà chúng ta có thể du hành trong đó và có một nhược điểm nghiêm trọng - du hành thời gian không ảnh hưởng đến dòng thời gian của chính những người du hành. Bằng cách này, bạn có thể ảnh hưởng đến các chuỗi liên tục khác, nhưng chuỗi mà chúng tôi bắt đầu cuộc hành trình vẫn không thay đổi.

Và vì chúng ta đang ở trong không-thời gian liên tục, nên với sự trợ giúp của Máy tính lượng tử Để mô phỏng du hành thời gian, các nhà khoa học gần đây đã chứng minh rằng không có "hiệu ứng cánh bướm" trong cõi lượng tử, như đã thấy trong nhiều cuốn sách và phim khoa học viễn tưởng. Trong các thí nghiệm ở cấp độ lượng tử, hư hỏng, dường như hầu như không thay đổi, như thể thực tại tự chữa lành vết thương. Một bài báo về chủ đề này đã xuất hiện vào mùa hè này trên tạp chí Psysical Review Letters. Mikolay Sinitsyn, nhà vật lý lý thuyết tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos và đồng tác giả giải thích: “Trên máy tính lượng tử, không có vấn đề gì với việc mô phỏng quá trình tiến hóa ngược lại trong thời gian hoặc mô phỏng quá trình di chuyển quá trình trở về quá khứ. tác giả của nghiên cứu. Công việc. “Chúng ta thực sự có thể thấy điều gì xảy ra với thế giới lượng tử phức tạp nếu chúng ta quay ngược thời gian, thêm một số thiệt hại và quay trở lại. Chúng tôi thấy rằng thế giới nguyên thủy của chúng ta vẫn tồn tại, điều đó có nghĩa là không có hiệu ứng cánh bướm trong cơ học lượng tử.”

Đây là một cú đánh lớn đối với chúng tôi, nhưng cũng là tin tốt cho chúng tôi. Liên tục không-thời gian duy trì tính toàn vẹn, không cho phép những thay đổi nhỏ phá hủy nó. Tại sao? Đây là một câu hỏi thú vị, nhưng là một chủ đề hơi khác so với thời gian.