Thời gian là gì?

Adam Frank (Physics World, tháng 10/2013)

Vấn đề thời gian là một trong những nan đề xưa cũ nhất mà chúng ta có, và thực tế cuộc đời của chúng ta là hữu hạn khiến nó là cái cấp thiết nhất và là bí ẩn sâu sắc mang dấu ấn cá nhân về thực tại. Các nhà vật lí từ thời Newton trở về sau, trong một số trường hợp, đã giải quyết trực tiếp các vấn đề về thời gian, cái đã từng là miền đất của các nhà triết học. Nhưng khoa học vật lí – hiểu theo nghĩa bao trùm toàn bộ thực tại vật chất – đã bổ sung thêm những viễn cảnh (và nghịch lí) của riêng nó cho các câu hỏi về thời gian, về cấu trúc của nó và thực tại căn bản của nó. Kết quả là không có một bài toán thời gian đơn độc trong nền khoa học của chúng ta. Thay vậy, có nhiều bài toán đan xen nhau có thể cần nhiều hơn một cuộc cách mạng nhận thức để giải quyết.

Các phe tranh luận về thời gian trong tư tưởng phương tây được xác lập bởi hai nhà triết học Hi Lạp, Parmenides và Heraclitus, vào khoảng thế kỉ thứ 5 trước Công nguyên. Truyền thống do Parmenides thiết lập khẳng định rằng thời gian, là một số đo của sự biến hóa, là một ảo giác, và rằng thực tại, ở cấp độ căn bản nhất của nó, là vô thời và vĩnh hằng. Trái lại, Heraclitus và các học trò của ông khẳng định rằng không có cái gì tồn tại vượt ngoài thời gian và rằng sự biến hóa – luôn luôn vận hành không ngừng – là nét đặc trưng cố định duy nhất của thực tại. Tranh luận về bản chất căn bản của thời gian trong vật lí học diễn ra trong cái bóng của những mâu thuẫn xa xưa này. Thậm chí ngày nay, bạn sẽ tìm thấy các nhà vật lí thuộc phe Parmenides lẫn phe Heraclitus tại bên này hoặc bên kia chiến tuyến – và cả ở lằn ranh phân chia giữa hai phe.

Một nhân vật sớm nổi tiếng ở “lưng chừng” giữa Parmenides và Heraclitus là Isaac Newton. Sự phát triển cơ học Newton đã thiết lập nền tảng hiện đại cho nghiên cứu khoa học và hiểu theo một nghĩa nào đó, nó cũng đã làm phân chia giữa hai quan điểm xưa về thời gian. Trong khi các phương trình vi phân động lực học của Newton xem thời gian là một tham số trôi đi ở một tốc độ đều đều ở khắp mọi nơi trong vũ trụ, thì những phương trình này lại biểu diễn những định luật bản thân chúng là vĩnh hằng và tồn tại vượt ngoài thời gian. Sau Newton, viễn cảnh khám phá ra “những định luật của Tự nhiên” khác đã trở thành một tiếng gọi cảm hứng tha thiết cho mọi khoa học, đánh dấu vị thế đặc biệt của nó trong các mode tìm tòi của nhân loại.

Tất nhiên, các định luật của Newton chỉ có giá trị trong giới hạn tốc độ nhỏ hơn tốc độ ánh sáng và thang chiều dài lớn hơn chiều dài đi cùng với sự lượng tử hóa. Tuy sự phát triển của thuyết tương đối và cơ học lượng tử đã làm thay đổi quan điểm vũ trụ luận Newton của chúng ta, nhưng sự phát triển của chúng không làm thay đổi quan niệm thiết yếu của Newton và ít nhất là một phương diện của thực tại – các định luật vật lí – tồn tại vượt ngoài thời gian.

Trên con đường tìm kiếm các định luật vô thời, vật lí học đã đưa chúng ta đến với một số hiện thực hóa căn bản (và những câu hỏi mở) về thời gian. Một trong những câu hỏi hiển nhiên nhất và vẫn chưa được trả lời trong số này là vấn đề nổi tiếng “mũi tên thời gian”. Toàn bộ những định luật cơ bản đã biết chi phối động lực học của các hạt – cái sơ cấp nhất của các vật thể vật lí – là có tính thuận nghịch thời gian. Không có cái gì trong các phương trình động lực học chất điểm của Newton hay các phương trình Schrödinger cho hàm sóng có thể cho chúng ta biết kim đồng hồ quay theo chiều nào. Tuy nhiên, thế giới vĩ mô không chịu được sự lừng khừng như thế. Việc trộn trứng và khuấy kem vào cà phê làm sáng tỏ rằng một mũi tên thời gian hướng từ quá khứ đến tương lai là một thành phần thiết yếu của thực tại.

Trở lại lúc bắt đầu

Là một nguyên lí vật lí, các câu hỏi về “mũi tên thời gian” xuất hiện trong ngôn ngữ của các phương trình động lực học (vi phân) chi phối các quá trình vật lí. Như vậy, nó chẳng phải là cái mà các nhà hiền triết Hi Lạp xưa đã nhận ra. Chỉ với sự tiến bộ của nhiệt động lực học (và, sau đó, cơ học thống kê) thì nan đề này mới được phân giải, theo một kiểu bằng cách lấy trung bình trên các trạng thái vi mô đi cùng với mỗi trạng thái vĩ mô của nhiều hạt. Từ đó, một đại lượng mới đi cùng với những hệ lớn – entropy – bước vào danh mục từ đóng vai thời gian trong thế giới vĩ mô.

Tuy nhiên, suy nghĩ theo hướng entropy chỉ thúc bài toán mũi tên thời gian đi giật lùi. Một khi entropy (nói cách khác, sự mất trật tự) đã đạt cực đại, thì một hệ đạt tới cân bằng và mỗi thời khắc, về cơ bản, sẽ trông y hệt thời khắc tiếp theo. Từ đó, các nhà vật lí phải biến thành nhà vũ trụ học để nêu câu hỏi tại sao chúng ta sống trong một vũ trụ trong đó entropy ban đầu đủ thấp để cho phép sự tiến hóa, và do đó, sự biến hóa, tiếp diễn. Việc khám phá rằng vũ trụ của chúng ta đã ra đời trong một Vụ Nổ Lớn có nghĩa là mũi tên thời gian vũ trụ học này phải truy nguyên đến câu hỏi các điều kiện vũ trụ lúc ban đầu. Nhưng như Roger Penrose, Sean Carroll và các nhà lí thuyết khác cho biết, các điều kiện ban đầu entropy thấp trong khuôn khổ kịch bản Vụ Nổ Lớn cổ điển là cực kì không có khả năng.

Các câu hỏi về những điều kiện ban đầu của vũ trụ đưa chúng ta đến chỗ tìm kiếm cái căn bản nhất của các lí thuyết căn bản: sự hấp dẫn lượng tử. Các nỗ lực nhằm lượng tử hóa không-thời gian cổ điển của thuyết tương đối rộng đã được nói tới trong số báo này (xem trang 42-43), nhưng một hệ quả quan trọng của việc tìm kiếm như thế đã thúc đẩy các nhà lí thuyết đến với những tiền tuyến mới trong nhận thức của chúng ta về thời gian. Chẳng hạn, xét thực tế rắc rối là khi bạn nhào nặn phương trình Schrödinger thành một dạng thích hợp cho không-thời gian của thuyết tương đối rộng, thì bạn đi tới một phương trình trong đó thời gian không xuất hiện. Biểu thức không chứa thời gian này được gọi là phương trình Wheeler–DeWitt, và nó cho chúng ta thấy một tập hợp những trạng thái lượng tử “vũ trụ học” cho vũ trụ mà không có bất kì sự diễn tiến nào giữa những trạng thái đó.

Liệu phương trình Wheeler–DeWitt có nghĩa là Parmenides đúng, và thời gian đơn thuần là ảo giác hay không? Câu hỏi đó còn lâu mới trả lời xong, nhưng nhiều người nghiên cứu về sự hấp dẫn lượng tử cho rằng thời gian và không gian mà chúng ta quen thuộc không thể là sơ cấp được. Thay vậy, họ khăng khăng rằng thời gian và không gian phải được xây dựng từ cái gì đó thiết yếu hơn – cái gì đó có các tính chất hơi khác với các quan niệm thông thường của chúng ta về sự định xứ và sự diễn tiến theo thời gian. Ở ngữ cảnh hiện đại của nó, câu hỏi “Thời gian có thật không?” là ám chỉ thời gian xuất hiện từ một tập hợp những nguyên lí nào đó sâu sắc hơn.

Tuy nhiên, đối với những nhà nghiên cứu khác, con đường tìm kiếm sự hấp dẫn lượng tử mang lại những câu hỏi rối rắm khác. Andreas Albrecht, chẳng hạn, từng lưu ý rằng việc đi từ các phương trình Wheeler–DeWitt sang thế giới gắn liền với thời gian mà chúng ta trải nghiệm mang lại một câu đố hóc búa mới, cái ông gọi là “sự nhập nhằng đồng hồ”. Như Albrecht chứng minh, không có phương cách trực tiếp nào lựa chọn bộ phận nào của lí thuyết tương thích hấp dẫn mới sẽ tác dụng như một đồng hồ, và bộ phận nào nên được gọi là “không gian”. Tiến hành một lựa chọn như thế, nói chung, là tách riêng không-thời gian, và Albrecht tìm thấy rằng những lựa chọn khác nhau, tùy ý, cho cái giữ vai trò của đồng hồ có thể dẫn đến những tập hợp hoàn toàn khác của các định luật vật lí.

Lời biện hộ cho thực tại thời gian

Một nhà phê bình gắt giọng hơn của những cách tiếp cận hiện nay là Lee Smolin, ông cho rằng sự tập trung hàng thế kỉ vào các định luật phi thời gian thể hiện một viên gạch làm sẩy chân quan niệm. Theo quan điểm của Smolin, động lực cho các định luật vĩnh hằng mô tả thực tại là một tổng thể đã dồn vật lí học căn bản vào một góc tường trong đó người ta buộc phải xét đến những thực tại “tiềm năng”, như với trường hợp các lí thuyết đa vũ trụ và những vũ trụ khác vô hạn về số lượng và có lẽ không quan sát được của chúng, thay vì một vũ trụ mà chúng ta trải nghiệm. Smolin còn tiến thêm một bước vững chắc theo hướng Heraclitus bởi việc cho rằng thời gian là nền tảng của thực tại và không thể xem là xuất hiện. Theo lập luận này, thậm chí các định luật vật lí phải gắn chặt trong khuôn khổ thời gian và, do đó, có thể biến hóa.

Nghiên cứu ở tiền tuyến của vật lí học tiến vào một vùng đất rộng đến bất ngờ của những bản chất có thể có của thời gian, nó cho thấy chúng ta không những đã tiến được bao xa mà còn phải đi bao xa nữa. Thời gian tỏ ra là một bí ẩn lâu bền nổi cộm trong vật lí học. Chúng ta trông đợi nó cứ mãi như thế, và chúng ta trông đợi nó sẽ tiếp tục thúc đẩy những hoạt động khoa học sáng tạo nhất của chúng ta – ít nhất là để lí giải thời gian hiện hữu.

• Adam Frank (Physics World, tháng 10/2013)

Trần Nghiêm dịch ♦