Thời gian là chiều thứ tư (phải vậy không?)
Có thể bạn để ý rằng ý tưởng về thời gian là một thể liên tục kéo dài mà chúng ta có thể đi dọc theo đó mang lại một sự tương tự nổi bật với một mảnh cơ bản khác của vũ trụ: không gian.
Lô gic chia lát hành trình của chúng ta trong thời gian thành những ảnh chụp tĩnh cũng có thể áp dụng cho chuyển động của chúng ta trong không gian. Điều này đưa chúng ta đến chỗ xét khả năng thời gian và không gian có liên hệ mật thiết với nhau.
Thật vậy, vật lí hiện đại cho chúng ta biết rằng thời gian và không gian là rất giống nhau, và theo nhiều phương diện, sẽ hoàn toàn hợp lí nếu xem thời gian là một chiều khác mà chúng ta có thể di chuyển trong đó. Hãy suy ngẫm một chút về ý tưởng đó. Như thường xảy ra, vấn đề sẽ trở nên dễ nghĩ hơn nếu bạn đơn giản hóa vũ trụ của chúng ta. Hãy tưởng tượng bạn chỉ có thể di chuyển theo một chiều trong không gian thay vì ba chiều như chúng ta quen thuộc.
Bây giờ hãy tưởng tượng một ngày trong cuộc sống của con chồn sương thú cưng một chiều của bạn. Nó thức dậy vào buổi sáng, và nó có rất nhiều việc để làm (mấy cái trò bóng nước cũng phải lên kế hoạch và tổ chức chứ!). Bây giờ hãy hình dung nó đi tới đi lui tới chỗ bong bóng vài lần trước khi bạn về.
Hình vẽ trên cho thấy con chồn đi dọc theo một chiều trong suốt cả ngày. Thế nhưng bạn cũng có thể nghĩ tới đường đi của con chồn trong một mặt phẳng hai chiều gọi là không-thời gian. Thật vậy, trong vật lí học, toán học về chuyển động là đơn giản hơn và sáng tỏ hơn nếu bạn xem thời gian là chiều thứ tư (giả sử chúng ta chỉ có ba chiều không gian thôi. Xem chương 9 để thấy những khả năng khác.)
Việc kết nối hai khái niệm khác nhau này luôn rất dễ chịu và bạn nhận thấy chúng là bộ phận của một khuôn khổ nào đó rộng lớn hơn. Đây thường là bước đầu tiên để thu được một nhận thức sâu sắc nào đó. Tựa như khi bạn nhận ra rằng sô cô la và bơ đậu phộng ăn chung với nhau thật tuyệt cú mèo, chúng phải là bộ phận của một thể liên tục sô cô la – đậu phộng vạn vật sâu sắc nào đó.
Thế nhưng đừng nên hào hứng quá. Kết nối này giữa không gian và thời gian không có nghĩa là bạn có thể xem thời gian là một chiều không gian với tất cả những hàm ý đi kèm của nó. Có một vài phương diện thời gian rất khác với không gian. Đây là một số bí ẩn còn lại của thời gian, và chúng ta hi vọng chúng sẽ đem lại cho chúng ta các manh mối để tìm hiểu bức tranh to lớn hơn về không-thời gian. Cho đến nay, chúng ta chỉ mới biết cách nêu câu hỏi mà thôi.
Câu hỏi 1: Thời gian khác như thế nào với không gian? (Và vì sao?)
Kết nối thời gian với không gian thật hữu ích vì nó cho chúng ta thấy được chúng giống nhau như thế nào, nhưng đồng thời cũng làm rõ chúng khác nhau ra sao. Với thời gian, bạn phải có một liên hệ rất khác so với khi xử lí không gian.
Trước tiên, trong không gian bạn tự do đi lại tùy thích. Bạn có thể đi theo vòng tròn hoặc đi lùi đến những nơi bạn từng ở qua. Bạn cũng có thể chuyển động trong không gian ở tốc độ tùy thích, nhanh hay chậm gì cũng được. Hoặc bạn có thể ngồi yên một chỗ và trong chốc lát không đi đâu hết. Nhưng thời gian thì khác. Bạn không có sự tự do như thế với thời gian đâu.
Bạn di chuyển trong thời gian ở một tốc độ đều đều không đổi (chính xác một giây trên giây).59 Bạn không thể đi lùi hay đi lòng vòng trong thời gian. Bạn không thể bất thình lình đi ngược thời gian và có mặt tại một địa điểm khác so với địa điểm bạn từng ở trước đây. Mặc dù bạn có thể ở cùng một chỗ trong không gian ở những thời điểm khác nhau, nhưng bạn không thể có mặt ở những vị trí khác nhau trong không gian cùng một lúc.
Đúng là kì lạ: nghĩ tới thứ gì đó có một vị trí cố định (một vị trí trong không gian) là chuyện bình thường, nhưng sẽ thật sự quái lạ nếu nghĩ tới một thời gian cố định. Đây là bởi vì thời gian chạy tới như một đầu sóng. Mỗi khi một thời khắc trôi qua, nó trôi qua mãi mãi (giống như những hộp bánh Girl Scout đang nằm chỗ quầy tính tiền vậy). Trái lại, vị trí của bạn trong không gian là thay đổi được và không bị ràng buộc. Có nhiều nơi trong không gian bạn sẽ không bao giờ đặt chân đến trong quãng đời mình và có nhiều nơi bạn sẽ đến chơi nhiều lần. Nhưng giữa thời khắc ra đời và hấp hối của bạn, bạn chỉ đi theo một chiều trong thời gian. Trừ khi câu chuyện cuộc đời bạn rất đặc biệt (ví dụ như sống trên một con tàu di cư thực hiện một chuyến đi kéo dài nhiều thế hệ giữa các thiên hà), bằng không hành trình của bạn trong thời gian sẽ rất khác với chuyến đi của bạn trong không gian.
Trong khi việc nghĩ thời gian là một chiều khác thì tiện lợi về mặt toán học trong các lí thuyết của chúng ta, điều quan trọng nên nhớ trong đầu là có những khác biệt quan trọng khiến thời gian không giống bất cứ thứ gì khác. Thời gian vận hành khác với không gian vì thời gian không phải một tập hợp gồm những vị trí kết nối. Thay vậy, chúng ta nghĩ tới thời gian là một sự liên kết các ảnh chụp tĩnh kết nối nhân quả của vũ trụ, và điều này có vô số hệ quả đối với những gì chúng ta có thể (và không thể) làm với thời gian.
Câu hỏi 2: Chúng ta có thể đi ngược thời gian không?
Những bài học từ quyển sách này khiến bạn rất hoài nghi trước ý nghĩ cái gì đó là không thể. Nói chung, có lẽ cái chúng ta nói là không thể vào lúc này sẽ thay đổi một khi chúng ta có được hiểu biết tốt hơn về vũ trụ. Nhiều thứ từng trông như không thể bây giờ là phổ biến, ví dụ như việc truy cập phần lớn tri thức nhân loại và những chuyện bá láp từ một dụng cụ gọi thoại bỏ túi.60
Nhưng trong trường hợp du hành thời gian, vật lí hiện đại cam chắc rằng điều này là không thể. Mọi kịch bản trong đó bạn có thể đi ngược thời gian nhanh chóng dẫn tới những nghịch lí vi phạm những giả định sâu sắc và căn bản về sự vận hành của vũ trụ.
Trong một số truyện khoa học viễn tưởng, người ngoài hành tinh hay loài người tiến bộ có thể xem thời gian là một chiều không gian và tự do đi tới đi lui trong thời gian; điều này cho phép họ đi lại trong thời gian như cách bạn và tôi cuốc bộ trên hành lang. Và trong khi đây là những câu chuyện rất vui vẻ để đọc và thưởng thức, song chúng có những vấn đề nghiêm trọng nếu nhìn từ góc độ vật lí.61
Trước tiên, đi lùi trong thời gian có thể phá vỡ luật nhân quả. Nếu bạn muốn vũ trụ có ý nghĩa, thì đó là một thỏa thuận lớn đấy. Nếu bạn chẳng quan tâm quả có xảy ra trước nhân hay không (thẻ tín dụng của bạn bị trừ tiền trước khi bạn mua quyển sách này, hay lũ chồn sương nhà bạn ăn bữa sáng của chúng trước khi bạn chuẩn bị cho chúng), thì đầu óc bạn còn thoáng hơn cả chúng tôi đấy.
Không có nhân quả, chẳng còn gì thật sự có ý nghĩa nữa. Ví dụ, nếu lũ chồn sương của bạn thấy chán việc thả bóng nước lên đầu bạn mỗi khi bạn về nhà vì bạn đã đề cao cảnh giác và biết trước rồi, thì chúng có thể chế một cỗ máy thời gian đi ngược về một ngày nào đó trước đây vào năm 2005 trước khi bạn có lũ chồn, khi bạn vẫn còn ngây thơ và dễ bị giật mình. Nếu chúng thành công trong kế hoạch của chúng té nước lên đầu bạn, thì có khả năng có những hệ quả ngoài dự tính. Sẽ ra sao nếu lúc đầu bạn dửng dưng với lũ chồn? Nếu bạn quyết định không mua lũ chồn, thì làm gì có con chồn nào té nước bạn sau đó cho đến khi chúng chán và chế một cỗ máy thời gian! Điều này có nghĩa là chẳng có vụ té nước nào trong năm 2005, cái đưa đến việc bạn mua lũ chồn, vân vân. Bạn bị bẫy trong một cái vòng lẩn quẩn. Tinh thần của câu chuyện là việc du hành thời gian là không thể vì nó vi phạm luật nhân quả và bạn nên suy nghĩ cho kĩ trước khi quyết định có mua lũ chồn hay không. Đây là nghịch lí con chồn sương nổi tiếng.
Điều quan trọng hơn, hãy suy nghĩ kĩ về những thứ xảy ra trong những câu truyện khoa học viễn tưởng vui vẻ này. Người ngoài hành tinh đang di chuyển trong không-thời gian hư cấu này; nhưng hãy nhớ rằng, sự chuyển động ngụ ý thời gian. Những người ngoài hành tinh này có một vị trí nào đó trong không-thời gian và sau đó họ có một vị trí khác. Vậy “sau đó” có nghĩa là gì? Các tác giả danh giá này đã chèn lại khái niệm thời gian tuyến tính lên trên vũ trụ không-thời gian của họ. Bài học rút ra là khó mà đi tới một vũ trụ nhất quán (dù là một vũ trụ hư cấu) trong đó thời gian giống với không gian nhiều hơn.
Câu hỏi 3: Vì sao thời gian cứ trôi về phía trước?
Vì chúng ta không thể đi lùi trong thời gian, nên sẽ hợp lí thôi nếu bạn hỏi “Vì sao thời gian cứ trôi về phía trước?”
Khái niệm về thời gian không trôi về phía trước là kì cục đối với chúng ta. Bạn sẽ không kì vọng bếp lò biến thực phẩm chín thành sống hay có những cục nước đá hình thành trong cốc nước uống của bạn vào một ngày nắng nóng hay những cái bánh Girl Scout đã ăn rồi tự trả về nguyên trạng của chúng. Toàn bộ những thứ này rất quen thuộc theo chiều hướng tới nhưng sẽ khiến bạn há hốc mồm nếu bạn thấy chúng xảy ra theo chiều ngược lại.
Tương tự như vậy, bạn có thể nhớ những gì xảy ra trong quá khứ, song bạn không thể nhớ những gì xảy ra trong tương lai.63 Có vẻ như thời gian có một chiều ưu tiên, và chúng ta chẳng biết vì sao như thế.
Câu hỏi căn bản này – vì sao thời gian chỉ trôi về phía trước? – đã thách đố các nhà vật lí trong một thời gian dài. Thật vậy, ngay cả nói “trôi về trước trong thời gian” có nghĩa là gì? Trong một vũ trụ nào đó trong đó thời gian trôi theo một cách khác, các nhà khoa học của chúng có thể gọi chiều đó là phía trước. Vậy nên, câu hỏi thật sự nên đặt ra là: Vì sao thời gian cứ trôi theo chiều như nó vốn thế?
Điều đầu tiên nên xem xét là một vũ trụ mà thời gian trôi theo kiểu khác thì có vận hành được không. Phải chăng các định luật vật lí đòi hỏi thời gian trôi theo một chiều? Hãy tưởng tượng bạn đang xem một video ghi lại một vũ trụ nào đó. Liệu bạn có thể nói, sau khi xem xét tỉ mĩ, rằng video ấy đang chiếu ngược hay chiếu xuôi không? Chẳng hạn, bạn đang xem video về một quả bóng đang tưng lên tưng xuống. Miễn là quả bóng tưng hoàn hảo (và không mất chút năng lượng nào do ma sát hay sức cản không khí) thì phiên bản chiếu xuôi và chiếu ngược của video này sẽ trông y hệt nhau! Điều tương tự đúng với các phân tử chất khí nảy bật bên trong một cái hộp hay các phân tử nước trôi trên một con sông. Ngay cả cơ học lượng tử cũng vận hành suôn sẻ theo chiều ngược.64 Thật vậy, hầu như mỗi định luật vật lí đều vận hành được với thời gian trôi xuôi cũng như trôi ngược.
Nhưng không phải định luật nào cũng thế.
Ví dụ về một quả bóng nảy bật hoàn hảo là phi thực tế vì nó bỏ qua lực ma sát của quả bóng lên mặt đất và sức cản không khí và rất nhiều cách khác trong đó năng lượng của quả bóng bị tiêu tán thành nhiệt. Sau vài lần nảy bật, ngay cả Super Ball yêu thích của con chồn cưng của bạn cũng sẽ bật không còn đủ cao và cuối cùng sẽ nằm lại trên đất. Toàn bộ năng lượng của nó sẽ biến đổi thành nhiệt của các phân tử không khí hay các phân tử quả bóng hay các phân tử mặt đất.
Bây giờ hãy hình dung video ghi lại một quả bóng nảy bật chiếu ngược lại sẽ trông kì cục như thế nào: một quả bóng nằm yên trên đất bỗng bất ngờ bật lên càng lúc càng cao. Dòng năng lượng sẽ trông lạ lùng hơn nữa: không khí và quả bóng và mặt đất sẽ nguội đi một chút, và nhiệt bị mất sẽ biến đổi thành chuyển động của quả bóng.
Bạn có thể nói rạch ròi sự khác biệt giữa hướng tới và hướng lui trong ví dụ này. Điều tương tự đúng với các ví dụ khác đã nêu ở trên: đun nấu thực phẩm, làm tan chảy nước đá, và ăn bánh. Thế nhưng nếu phần lớn các định luật vật lí đúng là vận hành tốt theo chiều nghịch – nhất là vật lí vi mô về nhiệt và sự khuếch tán – vậy tại sao các quá trình vĩ mô này lại trông có vẻ như chỉ xảy ra theo một chiều? Lí do là vì lượng mất trật tự trong hệ, gọi là entropy, nó có xu hướng rất mạnh ngả về một chiều trong thời gian.
Entropy luôn tăng theo thời gian. Đây chính là định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Hãy nghĩ entropy là lượng mất trật tự trong cái gì đó. Khi bạn quên cho con chồn cưng của bạn ăn, và nó cào xé phòng bạn và làm đổ một chồng gồm nhiều bản sao có chữ kí của quyển sách này, nó đã làm tăng entropy căn phòng của bạn bằng cách làm tăng độ mất trật tự.
Nếu bạn về nhà và sắp xếp lại đồ đạc, thì bạn làm giảm entropy của căn phòng, nhưng làm thế đòi hỏi tốn chút năng lượng, bạn giải phóng nó dưới dạng nhiệt và sự thất vọng và càm ràm dưới hơi thở bực dọc khi bạn kể lể với người bạn chung phòng rằng nuôi lũ chồn đúng là một ý tưởng tồi. Năng lượng mà bạn giải phóng trong khi sắp xếp lại căn phòng tiếp tục làm tăng entropy toàn phần. Hễ khi nào bạn tạo ra một trật tự cục bộ nào đó – xếp chồng các quyển sách, đánh dấu trên một tờ giấy, hay bật cái điều hòa không khí, khi ấy bạn cũng đồng thời tạo ra một sự mất trật tự đi kèm, thường là dưới dạng nhiệt. Theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, về trung bình, ta không thể làm giảm entropy toàn phần theo chiều trôi về phía trước của thời gian.
(Lưu ý: đây là một nhận định mang tính xác suất. Về mặt kĩ thuật, vẫn có khả năng cho một bầy chồn sương háu đói tình cờ tự tổ chức thành một đội ngũ trật tự hoàn hảo, do đó làm giảm entropy của chúng, nhưng đây là một khả năng rất nhỏ. Những tình cờ cô lập là được phép, nhưng tính trung bình thì entropy luôn luôn tăng.)
Điều này có một số hệ quả đáng sợ: bởi entropy chỉ có tăng, nên cuối cùng, rất, rất, rất, rất xa trong tương lai, vũ trụ sẽ đạt tới lượng mất trật tự cực đại, dẫn tới kịch bản nghe rất oách là “cái chết nhiệt của vũ trụ”. Trong trạng thái này, toàn bộ vũ trụ sẽ ở nhiệt độ đồng đều, nghĩa là mọi thứ sẽ hoàn toàn mất trật tự, không hề còn có những túi cấu trúc trật tự hữu ích (như con người) nào hết. Cho đến khi ấy, việc tạo ra các túi trật tự cục bộ bằng cách bù lại những túi mất trật tự chỉ có thể xảy ra do bởi vũ trụ chưa đạt tới độ mất trật tự tối đa, vì thế vẫn còn có chỗ ngọ nguậy.
Bây giờ hãy nghĩ ngược dòng thời gian. Tại mỗi thời khắc trong quá khứ, vũ trụ có ít entropy (trật tự hơn) hiện tại, xét lùi cho đến thời điểm Vụ Nổ Lớn. Hãy nghĩ Vụ Nổ Lớn là thời khắc trước lúc các xe tải và lũ trẻ nhỏ đến trước ngôi nhà mới thưở xưa của bạn. Điều kiện ban đầu này của vũ trụ, khi entropy là thấp nhất, xác định có bao nhiêu thời gian giữa lúc ra đời và cái chết nhiệt của vũ trụ. Nếu vũ trụ đã bắt đầu với một lượng mất trật tự khủng khiếp, thì sẽ không có nhiều thời gian còn lại trước lúc cái chết nhiệt. Trong trường hợp của chúng ta, có vẻ như vũ trụ đã ra đời với trật tự cao độ, đem lại cho chúng ta rất nhiều thời gian trước khi đạt tới entropy cực đại.
Vì sao vũ trụ lại ra đời với một cấu hình entropy thấp được tổ chức cao độ như thế? Chúng ta chẳng biết. Nhưng chúng ta dám chắc rằng thế là may mắn, vì nó để lại rất nhiều thời gian giữa lúc ra đời và kết thúc của mọi thứ, ví dụ như tạo ra các hành tinh và loài người và kem que.
Entropy có giúp chúng ta hiểu được thời gian không?
Entropy là một trong số ít định luật vật lí quan tâm đến dòng thời gian chảy theo chiều này hay chiều kia.
Phần lớn các quá trình ảnh hưởng đến entropy, ví dụ như các định luật động học ảnh hưởng đến cách các phân tử chất khí nảy bật lên nhau, có thể vận hành suôn sẻ theo chiều nghịch thời gian. Thế nhưng xét tổng thể, chúng tuân theo một quy luật đòi hỏi lượng trật tự giảm theo thời gian. Vì thế thời gian và entropy có kết nối với nhau bằng cách nào đó. Song cho đến nay chúng ta chỉ có một tương quan: entropy tăng theo thời gian.
Phải chăng điều này có nghĩa là entropy làm cho thời gian chỉ trôi về phía trước, kiểu như ngọn đồi làm cho nước chỉ chảy xuống mà thôi? Hay là entropy đi theo mũi tên thời gian tựa như những mảnh vỡ bị cuốn theo trong một cơn lốc xoáy?
Cho dù bạn chấp nhận rằng entropy tăng theo thời gian, thì nó vẫn không giải thích được vì sao thời gian chỉ trôi về phía trước. Chẳng hạn, bạn có thể hình dung một vũ trụ trong đó thời gian trôi ngược và entropy giảm theo thời gian âm, nó vẫn duy trì mối liên hệ cũ và không vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học!
Vậy nên entropy chẳng có gì quá sâu sắc mà chỉ là một manh mối. Nó là một trong số ít các manh mối mà chúng ta có về cách thời gian vận hành, vì thế nó đáng được chúng ta lưu ý thận trọng. Phải chăng entropy là chìa khóa để tìm hiểu chiều thời gian? Mặc dù nhiều người có thể cãi tới bến, song chúng ta vẫn chưa rõ. Hơn thế nữa, chúng ta có rất ít cách để giải quyết vấn đề này.
Thời gian và các hạt
Khi xét các hạt tí hon, có vẻ như chúng đều nửa vời với chiều thời gian. Ví dụ, một electron dễ dàng phát ra hay hấp thụ một photon. Hai quark có thể hợp nhất thành boson Z, hay một boson Z có thể phân hủy thành hai quark. Nói chung, bạn không thể nói được thời gian trôi theo chiều nào trong vũ trụ của chúng ta bằng cách quan sát từng hạt vật chất tương tác. Thế nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Có một kiểu tương tác hạt vận hành khác đi nếu bạn cho thời gian chạy ngược và hoặc chạy xuôi.
Lực yếu, lực gây ra sự phân rã hạt nhân và được trung chuyển bởi boson W và Z, có phần thiên về một chiều thời gian. Các chi tiết không mấy quan trọng để tìm hiểu và hiệu ứng là nhỏ, nhưng nó có thật. Ví dụ, khi một cặp quark liên kết với nhau bằng lực mạnh, thỉnh thoảng có hai cấu hình khả dĩ. Chúng có thể chuyển tới chuyển lui giữa hai cấu hình này bằng lực yếu, song chuyển theo chiều này tốn nhiều thời gian hơn chuyển ngược lại. Vì thế nếu chạy một video của quá trình theo chiều ngược sẽ trông không giống như khi chạy nó theo chiều xuôi.
Vậy hiện tượng này có dính dáng gì tới thời gian? Chúng ta không biết chính xác, song có vẻ nó là một manh mối hữu ích.
>> Xem Phần 4
Trích từ We Have No Idea (Jorge Cham & Daniel Whiteson)
