Thời Gian là gì và nó có luôn tiến về phía trước không?

Hãy tưởng tượng thời gian chạy ngược lại. Mọi người sẽ trẻ hơn thay vì già đi và sau một cuộc sống dài trẻ hóa dần dần – quên đi mọi thứ họ biết – họ sẽ kết thúc như một tia sáng trong mắt cha mẹ họ. Đó là thời gian được thể hiện trong một cuốn tiểu thuyết của nhà văn khoa học viễn tưởng Philip K Dick nhưng, đáng ngạc nhiên thay, hướng đi của thời gian cũng là một vấn đề mà các nhà vũ trụ học đang vật lộn.

Trong khi chúng ta cho rằng thời gian có một hướng nhất định, các nhà vật lý thì không: hầu hết các định luật tự nhiên đều "có thể đảo ngược thời gian" có nghĩa là chúng sẽ hoạt động tốt như vậy nếu thời gian được định nghĩa là chạy ngược. Vậy tại sao thời gian luôn chuyển động về phía trước? Và liệu nó có luôn như vậy không?

Thời gian có điểm khởi đầu không?

Bất kỳ khái niệm phổ quát nào về thời gian cuối cùng cũng phải dựa trên sự tiến hóa của chính vũ trụ. Khi bạn nhìn lên vũ trụ, bạn đang nhìn thấy những sự kiện đã xảy ra trong quá khứ – phải mất một khoảng thời gian rất ngắn để đến được với chúng ta. Trên thực tế, ngay cả quan sát đơn giản nhất cũng có thể giúp chúng ta hiểu được thời gian vũ trụ: ví dụ như thực tế là bầu trời đêm tối. Nếu vũ trụ có quá khứ vô hạn và có phạm vi vô hạn, thì bầu trời đêm sẽ hoàn toàn sáng – tràn ngập ánh sáng từ vô số ngôi sao trong vũ trụ luôn tồn tại.

Trong một thời gian dài, các nhà khoa học, bao gồm cả Albert Einstein, nghĩ rằng vũ trụ là tĩnh và vô hạn. Các quan sát từ đó đã chỉ ra rằng vũ trụ thực sự đang giãn nở và với tốc độ tăng tốc. Điều này có nghĩa là nó phải bắt nguồn từ một trạng thái nhỏ gọn hơn mà chúng ta gọi là Vụ nổ lớn, ngụ ý rằng thời gian có một khởi đầu. Trên thực tế, nếu chúng ta tìm kiếm ánh sáng đủ cũ, chúng ta thậm chí có thể nhìn thấy bức xạ tàn dư từ Vụ nổ lớn – bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Nhận ra điều này là bước đầu tiên trong việc xác định tuổi của vũ trụ (xem bên dưới).

Nhưng có một vấn đề, thuyết tương đối hẹp của Einstein cho thấy thời gian là... tương đối: bạn di chuyển càng nhanh so với tôi, thời gian trôi qua càng chậm đối với bạn so với nhận thức của tôi về thời gian. Vì vậy, trong vũ trụ của chúng ta với các thiên hà đang mở rộng, các ngôi sao quay và các hành tinh xoáy, trải nghiệm về thời gian thay đổi: quá khứ, hiện tại và tương lai của mọi thứ đều là tương đối.

Vậy có một giờ chuẩn chung mà tất cả chúng ta đều có thể đồng ý không?

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

Hóa ra là vì vũ trụ trung bình giống nhau ở mọi nơi, và trung bình trông giống nhau ở mọi hướng, nên có một “thời gian vũ trụ”. Để đo thời gian này, tất cả những gì chúng ta phải làm là đo các đặc tính của nền vi sóng vũ trụ. Các nhà vũ trụ học đã sử dụng điều này để xác định tuổi của vũ trụ; tuổi vũ trụ của nó. Hóa ra vũ trụ có tuổi là 13,799 tỷ năm.

Mũi tên thời gian

Vì vậy, chúng ta biết thời gian có khả năng bắt đầu từ Vụ nổ lớn. Nhưng vẫn còn một câu hỏi dai dẳng: thời gian thực sự là gì?

Để giải quyết câu hỏi này, chúng ta phải xem xét các tính chất cơ bản của không gian và thời gian. Trong chiều không gian, bạn có thể di chuyển về phía trước và phía sau; những người đi làm hàng ngày đều trải nghiệm điều này. Nhưng thời gian thì khác, nó có một hướng, bạn luôn tiến về phía trước, không bao giờ lùi lại. Vậy tại sao chiều thời gian lại không thể đảo ngược? Đây là một trong những vấn đề lớn chưa được giải quyết trong vật lý.

Để giải thích tại sao bản thân thời gian là không thể đảo ngược, chúng ta cần tìm ra các quá trình trong tự nhiên cũng không thể đảo ngược. Một trong số ít các khái niệm như vậy trong vật lý (và cuộc sống!) là mọi thứ có xu hướng trở nên kém "gọn gàng" hơn khi thời gian trôi qua. Chúng tôi mô tả điều này bằng một tính chất vật lý gọi là entropy mã hóa mức độ trật tự của một thứ gì đó.

Hãy tưởng tượng một hộp khí mà ban đầu tất cả các hạt được đặt ở một góc (trạng thái có trật tự). Theo thời gian, chúng sẽ tự nhiên tìm cách lấp đầy toàn bộ hộp (trạng thái không có trật tự) – và để đưa các hạt trở lại trạng thái có trật tự sẽ cần năng lượng. Điều này là không thể đảo ngược. Giống như việc đập một quả trứng để làm trứng ốp la – một khi nó lan ra và lấp đầy chảo rán, nó sẽ không bao giờ trở lại hình quả trứng nữa. Tương tự như vậy với vũ trụ: khi nó tiến hóa, entropy tổng thể tăng lên.

Thật không may là điều đó sẽ không tự dọn dẹp được. Alex Dinovitser/wikimedia , CC BY-SA

Hóa ra entropy là một cách khá hay để giải thích mũi tên thời gian. Và mặc dù có vẻ như vũ trụ đang trở nên có trật tự hơn là ít hơn - chuyển từ một biển khí nóng hoang dã trải rộng tương đối đồng đều trong giai đoạn đầu thành các ngôi sao, hành tinh, con người và các bài viết về thời gian - tuy nhiên vẫn có khả năng là nó đang gia tăng sự hỗn loạn. Đó là vì lực hấp dẫn liên quan đến các khối lượng lớn có thể đang kéo vật chất vào các trạng thái có vẻ có trật tự - với sự gia tăng sự hỗn loạn mà chúng ta nghĩ phải diễn ra bằng cách nào đó bị ẩn đi trong các trường hấp dẫn. Vì vậy, sự hỗn loạn có thể đang gia tăng mặc dù chúng ta không nhìn thấy nó.

Nhưng xét đến khuynh hướng ưa chuộng sự hỗn loạn của tự nhiên, tại sao vũ trụ lại bắt đầu ở trạng thái có trật tự như vậy ngay từ đầu? Điều này vẫn được coi là một bí ẩn. Một số nhà nghiên cứu cho rằng Vụ nổ lớn thậm chí có thể không phải là khởi đầu, trên thực tế có thể có "các vũ trụ song song" nơi thời gian trôi theo các hướng khác nhau.

Thời gian có kết thúc không?

Thời gian đã có khởi đầu nhưng liệu nó có kết thúc hay không phụ thuộc vào bản chất của năng lượng tối đang khiến nó giãn nở với tốc độ ngày càng nhanh. Tốc độ giãn nở này cuối cùng có thể xé toạc vũ trụ, buộc nó phải kết thúc trong một Vụ Xé Lớn; mặt khác, năng lượng tối có thể phân rã, đảo ngược Vụ Nổ Lớn và kết thúc Vũ trụ trong Vụ Co Lớn; hoặc Vũ trụ có thể chỉ đơn giản là giãn nở mãi mãi.

Nhưng liệu bất kỳ kịch bản tương lai nào trong số này có kết thúc thời gian không? Vâng, theo các quy tắc kỳ lạ của cơ học lượng tử, các hạt ngẫu nhiên nhỏ có thể đột nhiên bật ra khỏi chân không – điều mà chúng ta thường thấy trong các thí nghiệm vật lý hạt. Một số người cho rằng năng lượng tối có thể gây ra những "biến động lượng tử" như vậy, tạo ra một Vụ nổ lớn mới, kết thúc dòng thời gian của chúng ta và bắt đầu một dòng thời gian mới. Mặc dù điều này cực kỳ mang tính suy đoán và rất khó xảy ra, nhưng điều chúng ta biết là chỉ khi chúng ta hiểu được năng lượng tối, chúng ta mới biết được số phận của vũ trụ.

Vậy kết quả có khả năng xảy ra nhất là gì? Chỉ có thời gian mới trả lời được.