Tại sao thời gian không thể quay trở lại?

"Thời gian là thứ giữ cho mọi việc xảy ra chỉ ở một thời điểm duy nhất", tiểu thuyết gia khoa học viễn tưởng Mỹ Ray Cummings đã viết như vậy trong "The Girl in the Golden Atom", cuốn tiểu thuyết tổng kết chức năng của thời gian khá độc đáo. Nhưng làm thế nào thời gian chỉ cho mọi thứ xảy ra một lần? Cơ chế nào đẩy thời gian về phía trước chứ không phải là quay trở lại?

Trong một nghiên cứu gần đây công bố trên tạp chí vật lí Physical Review Letters, một nhóm các nhà vật lí lí thuyết đã tái điều tra "Mũi tên thời gian" (Arrow of Time) - một khái niệm mô tả cuộc hành trình không ngừng về phía trước của thời gian – và đưa ra một cách nhìn khác về việc thời gian biểu hiện như thế nào trên quy mô vũ trụ (universal scales).

Lâu nay, thời gian được mô tả bởi một "giả thuyết về quá khứ", với giả định rằng một hệ thống bất kỳ nào đó đều được bắt đầu từ trạng thái nhiệt động lực thấp (low entropy) và sau đó được điều khiển bởi nhiệt động học thì nhiệt động lực của nó gia tăng. Nói ngắn gọn: quá khứ là nhiệt động lực thấp và tương lai là nhiệt động lực cao - một khái niệm còn được biết đến là nhiệt động thời gian không đối xứng (thermodynamic time asymmetry).

Trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta có thể thấy có rất nhiều ví dụ về sự gia tăng của nhiệt động lực, như khí lan ra trong phòng hay viên đá tan chảy. Trong những ví dụ này, chúng ta có thể quan sát thấy một sự gia tăng không thể đảo ngược trong nhiệt động lực (và do đó tạo ra sự xáo trộn, thay đổi).

Nếu điều này được áp dụng ở quy mô Vũ trụ thì người ta giả thiết rằng vụ nổ Big Bang đã tạo ra Vũ trụ trong trạng thái nhiệt động lực thấp, tức là trạng thái nhiệt động lực tối thiểu. Trải qua thời gian dài vô tận, do Vũ trụ đã mở rộng và hạ nhiệt dần, nhiệt động lực của hệ thống có quy mô lớn này đã gia tăng. Do vậy, theo giả thuyết nói trên, thời gian cơ bản là được liên kết bởi mức độ của nhiệt động lực, hay sự xáo trộn, trong Vũ trụ của chúng ta.

Tuy nhiên, giả thuyết này vẫn còn một số vấn đề.

Ngay sau vụ nổ Big Bang, có một vài bằng chứng quan sát đã chỉ ra rằng môi trường của vụ nổ Big Bang cực nóng với tình trạng cực kỳ hỗn loạn của các hạt cơ bản. Khi Vũ trụ trưởng thành và mát dần, lực hấp dẫn bắt đầu có ảnh hưởng lớn hơn, khiến cho Vũ trụ ngày càng có trật tự cũng như phức tạp hơn - từ những đám mây khí mát dần, những ngôi sao được hình thành và những hành tinh được tiến hóa từ sự sụp đổ của lực hấp dẫn (gravitational collapse: một hiện tượng còn được gọi là sao băng hấp dẫn, khi vũ trụ có những vụ nổ khủng khiếp kết thúc vòng đời của các ngôi sao to lớn có trọng lượng 3-8 lần Mặt trời, lõi của ngôi sao bị sụp đổ do hết nhiên liệu, trọng lực giúp liên kết nó bị suy sụp, tạo thành một sao neutron hoặc một hố đen – PV). Cuối cùng, các nguyên tố có thể kết hợp với nhau thành chất hữu cơ, dần tiến hóa mang lại sự sống và con người, từ đó hình thành các khái niệm không gian và thời gian. Như vậy, trên phạm vi toàn Vũ trụ, "sự hỗn loạn" đã giảm đáng kể, chứ không phải là tăng như "giả thuyết về quá khứ" đã giả định.

Nhà khoa học Flavio Mercati của Viện Perimeter về Vật lí lí thuyết ở Ontario (Canada), người tham gia đồng điều tra, tranh luận rằng đây là vấn đề nhiệt động lực được đo như thế nào.

Do nhiệt động lực là một đại lượng vật lí có các chiều biểu diễn khác nhau (giống như năng lượng và nhiệt độ), nên cần phải có một hệ quy chiếu bên ngoài để có thể dựa vào đó mà đo lường. "Việc này có thể được thực hiện đối với các hệ thống con của vũ trụ khi phần còn lại của vũ trụ sẽ được thiết lập làm tham chiếu cho chúng. Nhưng toàn bộ vũ trụ - theo định nghĩa – không có gì bên ngoài tương ứng để có thể xác định được những thứ này", ông Mercati viết trong một email trả lời trang tin khoa học công nghệ Discovery News.

Vậy thì, nếu không phải là nhiệt động lực thì cái gì có thể hướng thời gian vũ trụ luôn về phía trước?

Sự phức hợp (complexity, trong thuyết hỗn mang) là một đại lượng không có chiều biểu diễn (dimensionless) mà, ở dạng cơ bản nhất của nó, mô tả một hệ thống phức tạp như thế nào. Do đó, nếu bạn nhìn vào Vũ trụ của chúng ta, sự phức hợp được gắn kết trực tiếp với thời gian, khi thời gian trôi đi, Vũ trụ trở nên ngày càng có cấu trúc hơn, tức là có trật tự hơn.

"Câu hỏi mà chúng tôi tìm cách trả lời trong nghiên cứu của chúng tôi là: cái gì đã thiết lập những hệ thống này ở trạng thái nhiệt động lực rất thấp như vậy vào lúc đầu? Câu trả lời của chúng tôi là: trọng lực và xu hướng của nó trong việc tạo ra trật tự và cấu trúc từ sự hỗn loạn", ông Mercati cho biết.

Để thực nghiệm ý tưởng này, ông Mercati và các đồng nghiệp đã tạo ra các mẫu máy tính cơ bản để mô phỏng các hạt trong một vũ trụ mô hình. Họ phát hiện rằng bất kể quá trình mô phỏng được vận hành thế nào, qua thời gian sự phức tạp của vũ trụ luôn gia tăng và không bao giờ giảm.

Từ vụ nổ Big Bang, Vũ trụ khởi đầu trong trạng thái phức tạp thấp nhất (được ví như "bát canh nóng" của các hạt hỗn loạn và năng lượng). Sau đó, do Vũ trụ mát dần tới trạng thái mà trọng lực bắt đầu thế chỗ, khí kết tụ lại với nhau, các ngôi sao hình thành và các thiên hà phát triển. Vũ trụ trở nên phức tạp hơn và trọng lực là động lực gia tăng sự phức tạp này.

Khi Vũ trụ đến giai đoạn trưởng thành, các hệ thống con trở nên đủ độc lập để các lực khác hình thành các điều kiện cho mũi tên thời gian hiện diện trong các hệ thống nhiệt động lực thấp. Trong các hệ thống con này, giống như cuộc sống hằng ngày trên Trái đất, nhiệt động lực có thể chiếm chỗ, tạo ra một "mũi tên thời gian nhiệt động học" (thermodynamical arrow of time).

Trên quy mô toàn Vũ trụ, nhận thức của chúng ta về thời gian được điều khiển bởi sự tăng trưởng liên tục của phức hợp, nhưng trong những hệ thống con này, nhiệt động lực thống lĩnh.

"Vũ trụ là một cấu trúc có sự phức hợp tăng dần", ông Mercati nói. "Vũ trụ được tạo nên bởi những thiên hà lớn bị chia tách bởi những khoảng cách rộng lớn. Trong quá khứ rất xa, chúng kết tụ gần với nhau hơn. Phỏng đoán của chúng tôi là: nhận thức về thời gian của chúng ta là kết quả của một quy luật về sự tăng trưởng không thể đảo ngược của phức hợp".

Bước tiếp theo của nghiên cứu sẽ là tìm kiếm các bằng chứng quan sát, điều mà Mercati và nhóm nghiên cứu đang thực hiện. "...chúng tôi không biết liệu có bất kì (sự quan sát) nào ủng hộ không nhưng chúng tôi biết loại thí nghiệm có thể thử nghiệm ý tưởng của chúng tôi. Đó là các quan sát vũ trụ".

Hiện thời, ông không tiết lộ loại quan sát vũ trụ nào sẽ được nghiên cứu nhưng nói rằng họ sẽ công bố thông tin trong một nghiên cứu thú vị sắp tới.

Tham khảo: Discovery News/Popsci.