Thời gian là gì – vì sao thời gian chỉ trôi đi mà không quay ngược?

Hy Vọng

Thời gian là gì, vì sao thời gian không thể quay ngược và lấy lại được, câu hỏi hóc búa đối với các nhà khoa học từ rất lâu cho tới giờ.

Thời gian là gì – vì sao thời gian chỉ trôi đi mà không quay ngược? Ảnh: Vườn hoa Phật giáo

Đã có ai định nghĩa nổi thực chất thời gian là gì? Hãy tưởng tượng thời gian chạy ngược trở lại. Mọi người sẽ trẻ ra thay vì già đi, và sau một thời gian dài sống ngày càng trẻ hóa – không thể học hỏi mọi thứ mà họ biết – họ sẽ kết thúc cuộc sống trong nháy mắt của cha mẹ mình. Đó là thời gian theo mô tả trong một cuốn tiểu thuyết của nhà văn khoa học viễn tưởng Philip K Dick, nhưng bất ngờ là hướng đi của thời gian cũng là một vấn đề mà xã hội học đang phải vất vả để tìm lời giải đáp.

Trong khi chúng ta mặc định rằng thời gian luôn có một hướng nhất định, các nhà vật lý lại không cho rằng như vậy: hầu hết các quy luật tự nhiên là “thời gian có thể quay trở lại” có nghĩa rằng những quy luật này vẫn sẽ diễn ra xuôn xẻ nếu thời gian được xác định là quay ngược trở lại. Vì vậy, tại sao thời gian luôn luôn di chuyển về phía trước? Và liệu nó sẽ luôn như vậy hay không?

Liệu Thời gian có điểm khởi đầu?

Bất kỳ khái niệm phổ quát nào về thời gian rốt cục đều phải được dựa trên sự phát triển của chính vũ trụ. Khi bạn nghiên cứu về vũ trụ, bạn sẽ thấy các sự kiện đã xảy ra trong quá khứ – việc này không tốn nhiều thời gian. Trên thực tế, ngay cả việc quan sát đơn giản nhất cũng có thể giúp chúng ta hiểu về thời gian của vũ trụ: ví dụ như thực tế là bầu trời tối vào ban đêm. Nếu vũ trụ có một quá khứ vô hạn và quy mô vô hạn, sẽ luôn tồn tại một bầu trời đêm hoàn toàn sáng, tràn ngập ánh sáng từ vô vàn các ngôi sao trong vũ trụ.

Trong một quãng thời gian dài, các nhà khoa học gồm cả Albert Einstein, đều nghĩ rằng vũ trụ là tĩnh và vô hạn. Các quan sát đã chỉ ra rằng vũ trụ thực tế đang mở rộng với tốc độ ngày càng tăng. Điều này đồng nghĩa rằng nó phải có nguồn gốc từ một hình thức nhỏ gọn hơn mà chúng ta gọi là Big Bang, và như vậy nghĩa là thời gian phải có một điểm khởi đầu. Trong thực tế, nếu chúng ta tìm kiếm nguồn ánh sáng lâu đời, chúng ta thậm chí có thể nhìn thấy các bức xạ còn tồn tại từ Vụ nổ lớn (Big Bang) – nền tảng của vi sóng vũ trụ. Nhận thức về điều này chính là bước đầu tiên trong việc xác định tuổi của vũ trụ (xem dưới đây).

Nhưng có một trở ngại khi thuyết tương đối của Einstein cho thấy rằng thời gian là … tương đối: bạn càng di chuyển nhanh hơn tôi, thời gian của bạn trôi qua càng chậm hơn so với cảm nhận của tôi về thời gian. Vì vậy, trong vũ trụ của chúng ta với các thiên hà đang ngày càng mở rộng, những ngôi sao xoay tròn và các hành tinh xoáy, trải nghiệm về thời gian là khác nhau: quá khứ, hiện tại và tương lai của mọi thứ đều có mối liên hệ với nhau.

Liệu có tồn tại một thời gian phổ quát mà tất cả chúng ta có thể thống nhất?

Dòng thời gian của vũ trụ. (Thiết kế bởi Alex Mittelmann, Coldcreation / wikimedia, CC BY-SA)

Chính vì xét bình quân thì vũ trụ mọi nơi và mọi hướng đều giống nhau, nên tồn tại một khái niệm gọi là “thời gian vũ trụ”. Để đo lường nó, điều mà chúng ta cần làm là đo những tính chất của nền vi sóng vũ trụ. Các nhà vũ trụ học đã sử dụng phương pháp này để xác định tuổi của vũ trụ. Và điều đó chỉ ra rằng vũ trụ là 13.799 tỷ năm tuổi.

Mũi tên thời gian

Vậy là chúng ta hiểu rằng thời gian nhiều khả năng bắt đầu từ Big Bang. Nhưng vẫn tồn tại một câu hỏi dai dẳng là: định nghĩa chính xác thời gian là cái gì?

Để giải được câu hỏi này, chúng ta phải nhìn vào các tính chất cơ bản của không gian và thời gian. Trong khía cạnh không gian, bạn có thể di chuyển tiến hoặc lùi; và mọi người trải nghiệm điều này hàng ngày. Nhưng khía cạnh thời gian thì khác, nó có một hướng, và bạn luôn luôn di chuyển về phía trước chứ không bao giờ quay trở lại được. Vậy tại sao chiều của thời gian lại không thể đảo ngược lại? Đây là một trong những vấn đề chính mà vật lý học chưa tìm được lời giải.

Để lý giải vì sao thời gian lại không thể đảo ngược trở lại, chúng ta cần phải tìm ra các quá trình trong tự nhiên mà cũng không thể đảo ngược được. Một trong số ít các khái niệm như vậy trong vật lý (và cả trong cuộc sống!) chính là mọi thứ có xu hướng kém “gọn” hơn khi thời gian trôi qua. Chúng ta mô tả điều này với một đặc tính vật lý gọi là entropy nhiệt động lực (gọi tắt là entropy), theo đó mã hóa trật tự của một thứ gì đó.

Minh họa về mũi tên thời gian trong thí nghiệm của nhóm khoa học tại CIT và MIT để chứng minh mũi tên hai chiều của thời gian. (Đại học Công nghệ California)

Hãy tưởng tượng về một hộp khí trong đó tất cả các hạt ban đầu được đặt trong một góc (một trạng thái trật tự). Theo thời gian, chúng sẽ tự tìm cách lấp đầy toàn bộ chiếc hộp (một trạng thái rối loạn) – và để đưa các hạt trở lại một trạng thái trật tự cần phải có nguồn năng lượng. Điều này là không thể đảo ngược lại được. Nó giống như việc đập một quả trứng để làm món trứng tráng – một khi quả trứng vỡ ra và cho vào chảo, nó sẽ không bao giờ có thể trở lại thành hình quả trứng như ban đầu. Điều này cũng tương tự đối với vũ trụ: khi nó phát triển, tổng thể entropy cũng tăng lên.

Hóa ra entropy là một cách hữu hiệu để giải thích về mũi tên thời gian. Và trong khi dường như vũ trụ đang trở nên có trật tự hơn là hỗn độn – thì việc chuyển trạng thái từ một vùng biển hoang tỏa ra khí nóng tương đồng trong thời kỳ đầu của nó để trở thành những ngôi sao, những hành tinh, con người và các chủ đề về thời gian – lại có vẻ đang ngày càng trở lên hỗn độn. Đó là bởi vì trọng lực kết hợp với những khối lớn dường như có thể kéo vật chất trở về trạng thái trật tự – cùng với sự hỗn độn gia tăng mà chúng ta cho rằng nó phải xảy ra theo cách nào đó ẩn sau các lĩnh vực trọng lực. Vì vậy, sự hỗn độn có thể ngày một tăng lên mặc dù chúng ta không nhìn thấy nó.

Nhưng nếu hỗn độn là xu hướng tự nhiên, thì tại sao vũ trụ lại bắt đầu với một trạng thái trật tự như vậy ở vị trí ban đầu? Điều này hiện vẫn được coi là một bí ẩn. Một số nhà nghiên cứu cho rằng Big Bang thậm chí có thể không phải là sự khởi đầu, mà trên thực tế có thể có “các vũ trụ song song” trong đó thời gian chạy theo các hướng khác nhau.

Thời gian liệu có kết thúc?

(Ảnh: CORBIS)

Thời gian có một sự khởi đầu nhưng liệu nó có một kết thúc hay không phụ thuộc vào bản chất của năng lượng tối đang khiến cho nó mở rộng với tốc độ ngày càng tăng. Tốc độ tăng trưởng này cuối cùng có thể xé vũ trụ ra thành nhiều mảnh, buộc nó phải kết thúc trong một Vụ xé lớn (Big Rip); năng lượng tối có thể phân hủy, đảo ngược Big Bang và kết thúc vũ trụ trong một Vụ co lớn (Big Crunch); hay vũ trụ có thể mở rộng mãi mãi.

Nhưng liệu những viễn cảnh tương lai này có kết thúc thời gian hay không? Theo các quy tắc kỳ lạ của cơ học lượng tử, các hạt ngẫu nhiên nhỏ bé có thể bật ra khỏi chân không trong giây lát – thứ mà thường được chứng kiến liên tục trong các thí nghiệm vật lý hạt. Một số người lập luận rằng năng lượng tối có thể gây ra những “sự dao động lượng tử” và tao ra thêm một Big Bang mới, kết thúc dòng thời gian của chúng ta để rồi bắt đầu một mốc thời gian mới. Điều này hoàn toàn mang tính chất suy đoán và rất khó xảy ra, và những gì chúng ta biết là chỉ khi chúng ta hiểu rõ về năng lượng tối, chúng ta mới có thể biết số phận của vũ trụ sẽ ra sao. Vì vậy, kết quả đúng sẽ là gì? Chỉ có thời gian có thể đưa ra câu trả lời.

Thomas Kitching, Giảng viên Vật lý thiên văn, UCL. Bài viết này đã được đăng trên tờ Conversation.