Không thời gian – tương lai ở ngoài kia
Tôi vừa nêu ra vấn đề gai góc là tương lai có sẵn ở ngoài kia hay không. Chúng ta hãy đối mặt với vấn đề đó và nhìn xem thuyết tương đối đặc biệt đã dạy chúng ta điều gì.
Hai năm sau khi Einstein công bố bài báo của ông về thuyết tương đối đặc biệt, một trong những vị giáo sư đại học cũ của ông, Hermann Minkowski, đề xuất rằng toàn bộ bài toán thời gian trôi chậm đi và độ dài co lại chỉ là vấn đề góc nhìn khác nhau của những người quan sát đang chuyển động khác nhau. Nhưng đó không phải là loại góc nhìn mà chúng ta đã quen thuộc trong không gian 3D, mà nó là một góc nhìn trong không gian bốn chiều. Minkowski chứng minh rằng thời gian và không gian có thể không còn xem là những thực thể tách rời nữa mà chúng hợp nhất thành cái gọi là không thời gian. Nhiều người, kể cả các nhà khoa học, cảm thấy lúng túng trước yêu cầu có một bức tranh như thế, và điều quan trọng nên hiểu cho đúng là vì sao Minkowski đi tới kết luận này.
Nếu bạn nhìn vào một vật rắn, ví dụ một khối lập phương,bạn thấy chiều sâu của nó (là chiều theo hướng nhìn của bạn) dường như ngắn hơn hai chiều kia là chiều rộng và chiều dài, khiến cho hai mặt bên của hình lập phương trông như bị nén lại. Giờ hãy xét có ai đó đang nhìn khối lập phương này từ bên trái hoặc bên phải. Đối với cô ta, chiều mà bạn xem là chiều rộng của hình lập phương lúc này là chiều sâu của nó, và cô ta thấy mặt lập phương đối diện với bạn bị nén lại. Cả hai người bạn đều không cãi nhau xem ai là người đang nhìn hình lập phương từ góc nhìn đúng vì cả hai người đều hiểu rằng đó chỉ là vấn đề góc nhìn khác nhau mà thôi. Thuyết tương đối đặc biệt dạy chúng ta rằng những nhà quan sát đang chuyển động nhanh phải nhìn thế giới trong không thời gian bốn chiều, trong đó khoảng cách không gian lẫn khoảng cách thời gian đều trở thành vấn đề góc nhìn. Một nhà quan sát đang chuyển động ở tốc độ cao so với người kia sẽ nhìn thấy không thời gian từ một góc nhìn khác. Theo nhà quan sát này, chiều thời gian có thể trông ngắn hơn hoặc dài hơn chiều thời gian đối với nhà quan sát kia, nhưng chẳng có nhà quan sát nào có quyền khẳng định rằng góc nhìn không thời gian của họ là chính xác hơn góc nhìn của người kia.
Hãy nghĩ tới hai sự kiện tách rời nhau, ví dụ tôi viết câu văn này và bạn đọc nó. Quan điểm trước Einstein (theo Newton) sẽ là hai sự kiện này độc lập nhau trong không gian và thời gian. Khoảng cách không gian giữa nơi tôi viết và nơi bạn đọc (ví dụ như 1000 km) và khoảng cách thời gian giữa thời điểm viết và thời điểm đọc (ví dụ như hai năm) là như nhau đối với mọi nhà quan sát. Thuyết tương đối đặc biệt nêu rõ cả hai đại lượng này sẽ biến thiên như thế nào, tùy thuộc vào nhà quan sát. Cái đẹp ở không thời gian 4D là chúng ta có định nghĩa trong nó một “khoảng cách” giữa hai sự kiện là sự kết hợp của một phần không gian và một phần thời gian. Một “khoảng” không thời gian như vậy có một giá trị cố định đối với mọi nhà quan sát. Vì thế, khi kết hợp thời gian và không gian, chúng ta trở về với khái niệm khoảng cách tuyệt đối.
Không thời gian 4D của Minkowski thường được gọi là mô hình vũ trụ hình khối. Đã từng có lần được xem là một chiều thứ tư của không gian, ta có thể tưởng tượng toàn bộ không gian và thời gian được mô phỏng dưới dạng một khối bốn chiều. Để hình dung ra hình khối này, tôi khuyên bạn nên vứt đi một trong các chiều không gian (như đã nói ở phần đầu tập sách) để thời gian có thể xem là một chiều thứ ba, biểu diễn trên hình 6.3 bởi trục chạy từ trái sang phải trang giấy.
Hình 6.3 Vũ trụ hình khối. Một chiều bị cắt đi và không gian giảm xuống thành một tấm hai chiều. Thời gian chạy vuông góc với tấm đó từ trái sang phải. Nếu bạn đứng yên, bạn sẽ thấy một đường nằm ngang, gọi là đường thế giới của bạn. Cái bạn nghĩ là “hiện tại” sẽ là một lát cắt qua hình khối đó bao gồm mọi điểm trong không gian mà bạn xem là đồng thời. Nhưng nếu hai nhà quan sát đang chuyển động qua mặt nhau thì họ sẽ không nhất trí với nhau về tấm “hiện tại” đó.
Tại một thời điểm bất kì cho trước, không gian hai chiều sẽ là một lát cắt qua hình khối trên. Vũ trụ ở những thời điểm sớm hơn được biểu diễn bởi vùng phía bên trái lát cắt này và những thời điểm tương lai nằm ở phía bên phải. Ở đây, chúng ta có một cái nhìn tổng thể của sự tồn tại trong đó toàn bộ thời gian – quá khứ, hiện tại và tương lai – nằm đóng băng trước mắt chúng ta. Nhiều nhà vật lí, trong đó có Einstein lúc cuối đời của ông, đã đưa mô hình này đến kết luận hợp lí của nó: trong không thời gian 4D, không có cái gì chuyển động hết. Tất cả những sự kiện đã xảy ra hoặc sẽ xảy ra tồn tại chung với nhau trong vũ trụ hình khối đó và không có sự phân biệt giữa quá khứ và tương lai. Điều này hàm ý rằng không có cái gì ngoài trông đợi có thể xảy ra. Không những tương lai là tiền định mà nó còn hiện hữu sẵn ở đó và bất biến giống như quá khứ vậy.
Bức tranh này thật sự có cần thiết không? Xét cho cùng, chúng ta có thể tưởng tượng ra một không thời gian kiểu Newton mô phỏng dưới dạng một khối 4D. Sự khác biệt là ở chỗ trong trường hợp đó không gian và thời gian là độc lập nhau, trong khi trong thuyết tương đối cả hai liên quan với nhau. Một trong những hệ quả của thuyết tương đối là sẽ không có hai nhà quan sát nào có thể thống nhất với nhau “hiện tại” là lúc nào. Bằng cách vứt bỏ thời gian tuyệt đối, chúng ta cũng phải thừa nhận rằng quan niệm một thời điểm hiện tại chung là không hề tồn tại. Đối với nhà quan sát này, tất cả những sự kiện trong Vũ trụ xuất hiện đồng thời có thể liên hệ với nhau để tạo thành một lát cắt nhất định qua không thời gian mà nhà quan sát gọi là “hiện tại”. Nhưng nhà quan sát kia, đang chuyển động tương đối so với người thứ nhất, sẽ có một lát cắt khác giao với lát cắt thứ nhất. Một số sự kiện nằm trong lát “hiện tại” của nhà quan sát thứ nhất sẽ nằm trong quá khứ của nhà quan sát thứ hai trong khi một số sự kiện khác sẽ nằm trong tương lai của anh ta. Kết quả khó tin nổi này được gọi là tính tương đối của sự đồng thời, và là nguyên nhân khiến nhiều nhà vật lí tranh luận rằng vì không có sự phân chia tuyệt đối giữa quá khứ và tương lai nên có thể không có sự trôi qua của thời gian, vì chúng ta không thể thống nhất với nhau hiện tại là lúc nào.
Tệ hơn nữa, nếu một người quan sát nhìn thấy một sự kiện A xảy ra trước một sự kiện B, thì có khả năng cho nhà quan sát kia chứng kiến sự kiện B trước A4. Nếu hai nhà quan sát thậm chí không thể thống nhất với nhau về trình tự sự việc xảy ra, thì làm thế nào ta có thể định nghĩa một sự trôi qua khách quan của thời gian dưới dạng một chuỗi những sự kiện?
Không phải nhà vật lí nào cũng sẵn sàng chấp nhận một quan điểm như vậy. Ngay cả Einstein cũng buộc phải thừa nhận rằng mặc dù không gian và thời gian hợp nhất thành một thể liên tục, tuy nhiên chúng ta không nên sa vào cái bẫy xem thời gian giống như một chiều nữa của không gian. Xét cho cùng, chúng ta đã biết từ chương trước rằng trục thời gian có một chiều nhất định; một mũi tên thời gian. Cả ba trục không gian đều không giống như thế này. Mỗi trục không gian thì có hai hướng, nên không gian và thời gian vẫn khác nhau về bản chất. Vì thế, khi Minkowski lần đầu tiên trình bày các quan điểm của ông, ngay cả Einstein cũng tỏ vẻ hoài nghi. Dần dần thì ông mới chấp nhận những quan điểm đó, và chúng tỏ ra thiết yếu cho sự phát triển sau đó của ông về thuyết tương đối tổng quát, trong đó chính không thời gian 4D bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn. Thật vậy, không thời gian có thể uốn cong, giãn ra, nén lại và xoắn. Chúng ta sẽ thấy ở phần sau rằng thuyết tương đối tổng quát cho phép không thời gian hình thành một số hình dạng rất lạ mà các chuyên gia gọi là “tô pô học không tầm thường”.
Toàn bộ câu chuyện này đưa chúng ta đến đâu? Phải chăng thuyết tương đối đòi hỏi quá nhiều? Chúng ta biết rằng chúng ta phải từ bỏ quan niệm về một thời điểm hiện tại chung, nhưng chúng ta có buộc phải thừa nhận rằng tương lai là tồn tại sẵn hay không? Tôi sẽ nêu ra ba lí do giải thích tại sao tôi không tin là như vậy.
Trước tiên, sự không nhất trí mà hai nhà quan sát bất kì sẽ có về trật tự của những sự kiện sẽ chỉ liên quan đến những sự kiện rất gần nhau trong thời gian. Hãy tưởng tượng có hai lóe sáng theo tôi là cách nhau ba mươi centimét. Ánh sáng sẽ mất khoảng một phần tỉ của một giây để đi hết quãng đường này và vì thế, để cho ánh sáng của một lóe sáng đi tới kích thích lóe sáng kia, tôi phải thấy chúng cách nhau trong thời gian hơn một phần tỉ của một giây. Với một khoảng thời gian như vậy, sẽ không có khả năng cho bất kì nhà quan sát nào khác nhìn thấy hai lóe sáng xảy ra theo kiểu khác, cho dù họ đang chuyển động tương đối nhanh bao nhiêu so với tôi. Như vậy sẽ vi phạm một định luật thiêng liêng của tự nhiên phát biểu rằng nguyên nhân của cái gì đó phải luôn luôn xảy ra trước hệ quả của nó. Đó là lí do chúng ta không thể có những cái xảy ra trước cái làm cho chúng xảy ra lúc ban đầu. Trong ví dụ này, cho dù lóe sáng thứ nhất có hay không có gây ra lóe sáng thứ hai cũng không sao, vì không có đủ thời gian cho điều này xảy ra.
Vì thế, sự sắp xếp lại các sự kiện đối với những nhà quan sát khác nhau chỉ được phép – nếu không vi phạm cái gọi là “tính nhân quả” (hay nguyên nhân xảy ra trước hệ quả của chúng) – nếu hai sự kiện ở gần nhau trong thời gian đến mức không có tín hiệu nào, thậm chí kể cả ánh sáng, có thể truyền qua giữa chúng5. Do đó, sự hòa lẫn của các sự kiện là cái làm tiêu tan sự trôi qua khách quan của thời gian chỉ ở thang thời gian rất nhỏ, làm cho thời khắc hiện tại “mờ đi” một chút, đó là tất cả những gì xảy ra.
Nguyên nhân thứ hai là vì, bất chấp trạng thái chuyển động tương đối của bạn, vẫn có một “hiện tại” rõ ràng và vì thế có một sự phân chia hoàn toàn có thể cảm nhận của các sự kiện, đối với bạn, thành quá khứ và tương lai.
Thứ ba, và để cho tương lai “có sẵn ở ngoài kia”, rõ ràng là cho đến khi nó “xảy ra” đối với chúng ta và chúng ta biết toàn bộ không thời gian, ta không thể cắt lát qua nó một cách lộn xộn được. Đối với chúng ta, tương lai chưa hề xảy ra. Cho dù chúng ta có thể, với đủ thông tin cho trước về trạng thái hiện tại của Vũ trụ (ví dụ như vị trí và trạng thái chuyển động của mọi hạt trong Vũ trụ), tính ra cái sẽ xảy ra ở mọi thời điểm tương lai. Đây chẳng gì hơn là vũ trụ (cơ giới) quyết định luận của Newton. Sự khác biệt lúc này ở quãng đường, khoảng thời gian,và thứ tự của những sự kiện nhất định sẽ phụ thuộc vào nhà quan sát.
Để xem toàn bộ không thời gian (Vũ trụ ở mọi thời điểm) là một hình khối 4D đòi hỏi một điểm mốc nằm bên ngoài Vũ trụ. Yêu cầu này giống như câu hỏi Vũ trụ trông như thế nào từ bên ngoài. Không có cái gì bên ngoài. Do đó, một cái nhìn như thế là mang tính giả thuyết mà thôi.
Những lập luận này không khiến nhiều nhà vật lí, nhà toán học và nhà triết học ngừng ôm ấp quan niệm vũ trụ hình khối, với thời gian tĩnh của nó, một cách toàn tâm toàn ý. Nhà toán học Hermann Weyl mô tả vũ trụ hình khối như sau: “Thế giới khách quan là đơn giản, nó không xảy ra. Chỉ có ý thức của chúng ta... là một quá trình tiến tới trong thời gian”. Thật vậy, một quan niệm như thế đã tồn tại từ lâu trước khi có thuyết tương đối và rất gần với những lập luận mà nhà triết học người Đức Immanuel Kant nêu ra trong quyển sách Phê bình Nguyên nhân Thuần túy của ông vào năm 1787.
Tôi luôn luôn cảm thấy có một sự mâu thuẫn trong lập luận này. Weyl muốn chúng ta tin rằng mặc dù chẳng có cái gì đang biến đổi trong không thời gian 4D, nhưng ý thức của chúng ta bằng cách nào đó vẫn tiến lên trong nó, đó là cách chúng ta có cảm giác về một thời khắc hiện tại bấp bênh. Ông khẳng định rằng cảm giác này là ảo giác. Nhưng sự chuyển động, tuy là ảo giác, gợi đến sự biến đổi, và sự biến đổi đòi hỏi sự trôi qua của thời gian. Cho nên, nếu ý thức của chúng ta trải nghiệm sự biến đổi thì nó phải tồn tại bên ngoài không thời gian tĩnh. Tuy nhiên, ý thức có bí ẩn hay không thì ở đây tôi chưa sẵn sàng bàn tới nó.
___
4Điều này chỉ có thể xảy ra nếu khoảng thời gian giữa hai sự kiện (trong cả hai hệ quy chiếu) là ngắn hơn thời gian cần thiết cho ánh sáng đi từ sự kiện này đến sự kiện kia. Như vậy sẽ bác bỏ khả năng một sự kiện có thể là nguyên nhân của sự kiện kia, vì điều này sẽ hàm ý rằng một nhà quan sát sẽ nhìn thấy kết quả xảy ra trước nguyên nhân, và các định luật vật lí sẽ không cho phép xảy ra một cái như vậy.
5Tất nhiên, các sự kiện có thể cách nhau một năm ròng miễn là chúng ở xa nhau hơn một năm ánh sáng (vì ánh sáng, phương tiện truyền thông tin nhanh nhất, mất hơn một năm để đi từ sự kiện này đến sự kiện kia).
Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian
Jim Al-Khalili
Bản dịch của Thuvienvatly.com
Phần tiếp theo >>
