Nhà khoa học Hawking tổng hợp và phát triển đưa ra mô hình thời gian khả dĩ nhất đến nay, từ thuyết của Newton và Einstein.
Thời gian của Newton tách biệt khỏi không gian, như một đường thẳng từ quá khứ tới tương lai. (Ảnh: Universe in a nutshell/Stephen Hawking)
Trong cuốn sách "Các nguyên lý toán học" xuất bản năm 1687, Newton mô tả thời gian và không gian như một khung nền cho các sự kiện diễn ra, và thời gian không thể làm ảnh hưởng tới các sự kiện đó.
Thời gian của Newton là đơn tuyến, như một đường thẳng kéo dài từ quá khứ tới hiện tại. Tuy nhiên, nếu vậy nghĩa là vũ trụ phải được sáng tạo ra tại một thời điểm, và tại sao lại phải chờ đợi quá lâu, dài gần như vô tận cho tới thời điểm đó. Nói cách khác, "Chúa đã làm gì trước khi sáng tạo ra vũ trụ?", Hawking viết.
Đặc biệt, nếu thời gian là đơn tuyến, tại sao vạn vật trong vũ trụ không đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt, với nhiệt độ của mọi thứ đều như nhau? Ví dụ để một cốc nước nóng trong phòng, tới một thời điểm nhiệt độ của cốc nước sẽ cân bằng với nhiệt độ phòng. Đây là các vấn đề Hawking đặt ra trong cuốn sách "Vũ trụ trong một vỏ hạt dẻ" khi nói về thời gian của Newton.
Theo Immanuel Kant, một nhà triết học Đức, thì đây là "một sự mâu thuẫn thuần lý tính" (antinomy of pure reason) và không thể giải đáp. Tuy nhiên, nếu xét trên quan điểm thuyết tương đối rộng của Einstein, kết hợp thời gian cùng với 3 chiều không gian thành cái gọi là "không thời gian" – spacetime, những thắc mắc này sẽ được giải quyết.
Trong lý thuyết của Einstein, không thời gian không tách biệt với các sự kiện diễn ra, mà nó thực sự tham gia vào các sự kiện đó. Bất kỳ vật thể có khối lượng nào cũng làm cong không thời gian xung quanh nó, gây ra hiệu ứng hấp dẫn. Có thể hình dung tính chất này như một quả bóng đặt trên đệm cao su tượng trưng cho không thời gian. Do sức nặng của mình, quả bóng sẽ làm lún "không thời gian" xung quanh nó. Không thể làm cong không gian mà không làm biến đổi thời gian.
Như vậy, theo thuyết tương đối rộng, không thời gian và vũ trụ gắn liền với nhau. Hawking cũng thừa nhận trong cuốn sách của mình, thời gian "có một sự khởi đầu và kết thúc. Việc hỏi cái gì đã xảy ra trước khi thời gian bắt đầu và cái gì sẽ xảy ra sau khi thời gian kết thúc là vô nghĩa vì lúc đó nó không được xác định."
Thời gian có hình quả lê. (Ảnh: Universe in a nutshell/Stephen Hawking)
Từ đó, Hawking cho rằng "thời gian phải có một hình dáng". Ông cho rằng không chỉ khối lượng của các vật thể bẻ cong không thời gian, mà cả năng lượng cũng góp phần. Năng lượng bẻ cong không thời gian làm cho các tia sáng cũng phải đi theo đường cong và hướng lại gần nhau.
Tưởng tượng chúng ta có một nón ánh sáng, trong đó người quan sát đứng ở đỉnh nón quan sát về quá khứ (do ánh sáng từ các sự kiện xa xôi trong vũ trụ phải mất thời gian tính bằng nhiều năm ánh sáng để tới người quan sát, nên thực ra người đó đang nhìn về quá khứ). Càng ở phía dưới nón, người quan sát sẽ càng thấy nhiều thiên hà ở các thời điểm rất sớm của vũ trụ.
Tuy nhiên, các nhà khoa học đã chứng minh được rằng vũ trụ đang giãn nở, nghĩa là ban đầu, mọi thứ phải ở rất gần nhau tại một nơi có mật độ rất lớn. Do đó người quan sát sẽ thấy một phông bức xạ vi sóng (microwave background) lan truyền tới dọc theo nón ánh sáng.
Thực nghiệm đã xác nhận điều này là đúng. Các máy đo đã phát hiện ra một phổ bức xạ đặc trưng cho nhiệt độ 2,7K (âm 270 độ C) truyền tới Trái Đất, nghĩa là "bức xạ cần phải đến từ các vùng có vật chất làm tán xạ vi sóng", theo Hawking.
Từ các cơ sở này, Hawking đã kết luận, ánh sáng từ quá khứ truyền tới Trái Đất theo nón ánh sáng đã từng bị bẻ cong bởi một lượng vật chất rất lớn. Nó đủ lớn để uốn các tia sáng hội tụ với nhau tại một điểm duy nhất.
Đây chính là điểm kỳ dị, nơi phát sinh vụ nổ lớn Big Bang sinh ra vũ trụ hiên nay. Hawking cho rằng đây cũng là điểm thời gian bắt đầu. Như vậy, thời gian có hình dáng giống như một quả lê, phình ra ở giữa và bé lại ở 2 đầu.
Cũng theo Hawking, thời gian sẽ kết thúc khi "các ngôi sao hoặc các thiên hà suy sập dưới lực hấp dẫn của bản thân chúng để tạo thành các hố đen."