Thời gian thực sự có thể quay ngược hay không?

Chúng ta luôn mong muốn có thể quay ngược thời gian để sữa chữa một lỗi lầm, để trải nghiệm lại những kỷ niệm xưa. Nhưng hiện nay, điều này là hoàn toàn không thể xảy ra, vậy vì sao lại không thể quay ngược thời gian như vặn lại một chiếc đồng hồ hay có cách nào đó nhưng chúng ta vẫn chưa tìm ra?

Tại sao không thể quay ngược thời gian?

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí vật lí Physical Review Letters, một nhóm các nhà vật lý đã nghiên cứu lại định nghĩa "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).

Cho dù thời gian không trôi đi, chúng ta vẫn có thể gán cho nó một chiều, gọi là một mũi tên thời gian. Đây là một khái niệm trừu tượng có nghĩa đơn giản rằng chúng ta có thể định nghĩa một trật tự của các sự kiện. Một mũi tên thời gian hướng từ quá khứ về phía tương lai, từ những sự kiện có trước đến những sự kiện có sau. Nó là một chiều trong thời gian trong đó mọi thứ xảy ra. Cái quan trọng ở đây là đưa ra sự khác biệt giữa một dòng chảy của thời gian và một chiều của thời gian.

Hãy tưởng tượng đang nhìn vào từng khung hình một trong một guồng quay phim. Chúng ta có thể dễ dàng định nghĩa một chiều thời gian hướng theo một chiều nhất định theo guồng quay dựa trên những khung hình nào có trước và những khung hình nào có sau. Chúng ta làm như vậy bất chấp thực tế rằng chúng ta đang nhìn vào những ảnh chụp tĩnh của các sự kiện và không có chuyển động nào trong các khung hình hết. Mỗi khung hình là một ảnh chụp đóng băng trong thời gian.

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.

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. 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.

Bên cạnh đó, các phương trình vật lí thậm chí không cung cấp một chiều trong thời gian. Thời gian có thể trôi ngược và các định luật vật lí vẫn không đổi. Bạn có thể cho rằng đây có thể chỉ là một sự may mắn đối với các nhà vật lí. Nếu chiều trong đó thời gian hướng vào bị thiếu trong các phương trình vật lí thì chúng không thể cho chúng ta biết hết toàn bộ câu chuyện. Vì không thể nhận thức một chiều cho thời gian từ những phương trình toán học không có nghĩa là không có một chiều thời gian trong thế giới thực.

Nhà khoa học Flavio Mercati.

Flavio Mercati đã lấy một ví dụ hơi phức tạp một chút khi ông nói ngay cả trong thế giới thực, ở cấp độ nguyên tử, hầu hết mọi quá trình đều có tính thuận nghịch trong thời gian. Nếu, trong một quá trình hạ nguyên tử, hai hạt, a và b, đổ về và va chạm nhau thì chúng thường bật lên nhau và tách nhau ra trở lại. Nếu bạn xem phim quay của một quá trình như thế và sau đó xem nó chạy ngược, bạn sẽ không thể biết được quá trình đã xảy ra theo vòng quay nào. Quá trình đảo ngược thời gian vẫn tuân theo các định luật vật lí.

Để cụ thể hơi, ông Mecati đã lấy một ví dụ về hai hạt mới, ví dụ c và d, được sinh ra và bay ra xa nhau. Một lần nữa, bạn sẽ không thể chắc chắn trật tự thật sự của các sự kiện nếu bạn xem phim quay của quá trình này vì các định luật vật lí phát biểu rằng quá trình đảo ngược đó cũng là có thể. Các hạt c và d có thể va chạm để tạo ra các hạt a và b. Do đó, bạn không thể gán một mũi tên thời gian nêu rõ quá trình đã xảy ra theo trình tự nào.

Điều này trái ngược hẳn với những sự kiện xảy ra xung quanh chúng ta trong cuộc sống hàng ngày trong đó chúng ta chẳng phải bận tâm xác định xem thời gian hướng theo chiều nào. Chẳng hạn, bạn không bao giờ thấy khói phía trên một cái ống khói tập trung về phía ống khói và rồi bị nuốt vào bên trong trở lại. Tương tự, bạn không thể “giải khuấy” đường từ một tách cà phê một khi nó đã hòa tan, và bạn không bao giờ nhìn thấy một đống tro trong tàn lửa “nghỉ cháy” để trở thành một khúc gỗ trở lại.

Vậy cái gì phân biệt những sự kiện này với những sự kiện hạ nguyên tử? Làm thế nào mà đa số những hiện tượng chúng ta nhìn thấy xung quanh chúng ta không bao giờ xảy ra ngược lại? Chắc chắn mọi thứ rốt cuộc cấu tạo gồm các nguyên tử và ở cấp độ đó mọi thứ là có tính thuận nghịch. Vậy thì ở giai đoạn nào trong sự diễn tiến từ các nguyên tử đến khói bốc lên trên ống khói, đến tách cà phê và những khúc gỗ thì một quá trình trở nên không thuận nghịch?

Tất cả là do một định luật quan trọng trong vật lí học gọi là định luật thứ hai nhiệt động lực học. Lĩnh vực nhiệt động lực học nghiên cứu nhiệt và mối liên hệ của nó với những dạng năng lượng khác. Nhà thiên văn học Arthur Eddington từng khẳng định rằng định luật thứ hai nhiệt động lực học có vị thế tối cao trong mọi định luật của tự nhiên. Còn có ba định luật khác của nhiệt động lực học liên quan đến cách thức nhiệt và năng lượng có thể chuyển hóa lẫn nhau, nhưng không định luật nào quan trọng bằng định luật thứ hai.

Định luật thứ hai nhiệt động lực học phát biểu rằng mọi thứ bị mòn dần, nguội đi, tách rời ra, già đi và phân hủy. Nó giải thích tại sao đường hòa tan trong cà phê chứ không bao giờ xảy ra ngược lại. Nó cũng phát biểu rằng một cục đá trong một ly thủy tinh sẽ tan ra vì nhiệt luôn luôn truyền từ phía nước ấm hơn sang cục đá lạnh hơn và không bao giờ truyền ngược lại.

Sự phức hợp là một đại lượng không có chiều biểu diễn 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. Ông Mercati cho biết: "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".

Thông thường, khái niệm thời gian được miêu tả bằng “giả thuyết quá khứ”, giả thuyết này cho rằng mọi hệ thống đều bắt đầu ở ngưỡng entropy (đơn vị đo nhiệt năng phát tán hoặc hấp thụ khi một hệ vật lý chuyển trạng thái) cực thấp, sau đó quá trình nhiệt động lực học diễn ra khiến entropy tăng lên. Nói theo cách khác, quá khứ là entropy thấp còn tương lai là entropy cao, đây chính là giả thuyết thời gian bất đối xứng.Hiểu ngắn gọn, entropy là một số đo của sự mất trật tự trong một hệ, là số đo mọi thứ bị xáo trộn bao nhiêu.

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".

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 ủng hộ nào 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.

Thêm vào đó, giáo sư vật lý Jim Al-Khalili của đại học Surrey - tác giả của cuốn sách Black Holes, Wormholes and Time Machines cực kỳ nổi tiếng - cho biết cái gọi là "dòng thời gian trôi đi" chỉ là một hiện tượng ảo giác, các định luật vật lí chẳng nói gì về dòng chảy của thời gian. Chúng cho chúng ta biết vạn vật như các nguyên tử, ròng rọc, đòn bẩy, đồng hồ, tên lửa và các ngôi sao hành xử như thế nào khi chịu tác dụng của những lực khác nhau tại những thời điểm nhất định trong thời gian, và nếu cho biết trạng thái của một hệ tại một thời điểm nhất định thì các định luật vật lí cho chúng ta những quy tắc tính ra trạng thái có thể của nó tại một thời điểm tương lai nào đó.

Giáo sư Jim Al-Khalili.

Tuy nhiên, không có chỗ nào có chứa một dấu hiệu của thời gian trôi qua hết. Khái niệm thời gian trôi, hay chuyển động theo một kiểu nào đó, hoàn toàn không có trong vật lí học. Chúng ta tìm thấy rằng, giống như không gian, thời gian đơn thuần là tồn tại; chỉ thế thôi. Hơn nữa, thiên tài Albert Einstein cũng giữ quan điểm cho rằng thời gian là ảo giác và thậm chí ông còn biểu diễn nó khi cố gắng an ủi người vợ góa của một người bạn thân của ông khi nói bà nên thả lỏng nhận thức rằng thời điểm hiện tại chẳng có gì đặc biệt hơn bất kì thời điểm nào khác trong quá khứ hoặc trong tương lai; tất cả mọi thời điểm tồn tại cùng với nhau.

Vậy chúng ta có thể thấy thời gian khó hiểu như thế nào khi xem nó là một khái niệm riêng, thậm chí Jim Al-Khalili còn nói vui rằng nếu cố gắng tìm hiểu vấn đề hoạt động của thời gian thì bạn nên sẵn sàng làm quen với thuyết tương đối đặc biệt của Einstein trong đó ông đã trói buộc thời gian với không gian thành không thời gian bốn chiều. Giáo sư Jim Al-Khalili kết luận việc quay ngược thời gian giống như đánh lừa cảm giác con người trên mức độ vật lý lượng tử, mặc dù vậy nếu thực hiện trên quy mô vật lý lượng tử thì vẫn có khả năng.

Thật vậy, tháng 2/2015, giáo sư Kater Murch thuộc Đại học Washington cùng các đồng nghiệp đã tiến hành một thí nghiệm lượng tử. Họ đặt một bảng mạch trong lò vi sóng, sau đó bắn các hạt photon ánh sáng vào đây - nơi trường lượng tử của hạt tương tác với bảng mạch. Sau khi các hạt photon đầu tiên bay qua, kết quả phân tích của máy tính được "giấu kín" còn các chuyên gia sẽ cùng dự đoán kết quả của lần bắn tiếp theo. Theo Murch, điều này giống như việc ta dự đoán trước các sự việc tương lai, và xác suất đúng cao nhất chỉ là 50%.

Trong khi đó, nhóm của Murch cho rằng nếu biết trước được trạng thái và sự phát triển tương lai của từng hạt, khả năng dự đoán đúng kết quả bay của photon trong thí nghiệm lên tới 90%. Theo ông, các hạt nguyên tử không được định hình cho tới khi con người đo đạc chúng. Điều đó có nghĩa, trong quá khứ, các hạt không xác định nhưng khi con người tiến hành nghiên cứu (trong tương lai), chúng đã có hình dạng, trọng lượng hay tốc độ đầy đủ. Hiểu đơn giản, chính hành động trong tương lai đã thay đổi những gì diễn ra trong quá khứ.

Nếu như lý thuyết này là đúng thì theo các nhà khoa học, thời gian và không gian là những thứ đối xứng. Nói cách khác, chúng ta ngày nay chỉ cảm nhận được sự trôi qua nhanh chóng của thời gian mà thôi còn trong thực tế, thời gian là “mũi tên” hai chiều và có thể đảo ngược hoàn toàn.