Thời gian là gì và tại sao nó luôn tiến về phía trước?

Chúng ta thường nghĩ về thời gian trong vũ trụ dường như là một dòng chảy có một thời điểm bắt đầu và cho đến bây giờ. Nhưng các nhà vũ trụ học hiện đại thực sự biết bao nhiêu về thời gian?

Hãy tưởng tượng nếu thời gian đang chạy ngược lại. Mọi người sẽ trẻ hơn thay vì già đi và sau một thời gian dài mọi người đều được trẻ hóa dần dần, quay trở lại những gì đã trải qua và cuối cùng là thành một đứa trẻ chào đời như một tia sáng lấp lánh 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 thật đáng ngạc nhiên, hướng thời gian cũng là một vấn đề mà các nhà vũ trụ học đang tìm lời giải đáp.

Mặc dù chúng ta cho rằng thời gian có một hướng đi nhất định, nhưng các nhà vật lý thì không xác định điều này. Họ cho rằng hầu hết các quy luật tự nhiên là “thời gian có thể đảo ngược”, có nghĩa là chúng sẽ hoạt động tốt nếu thời gian được định nghĩa là chạy ngược lại. Vậy tại sao thời gian luôn tiến về phía trước? Và nó sẽ luôn luôn là như thế?

Thời gian có điểm bắt đầu không?

Dòng thời gian của vũ trụ. (Design Alex Mittelmann, Coldcreation/wikimedia, CC BY-SA)

Bất kỳ khái niệm phổ quát nào về thời gian cuối cùng đều phải dựa trên sự phát triển của chính vũ trụ. Khi nhìn lên vũ trụ, chúng ta nhìn thấy các sự kiện đã xảy ra trong quá khứ bởi ánh sáng cần thời gian để đến với chúng ta. Trên thực tế, ngay cả những quan sát đơn giản nhất cũng có thể giúp chúng ta hiểu được thời gian vũ trụ. Ví dụ, 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 một vũ trụ mênh mông.

Trong một thời gian dài, các nhà khoa học, bao gồm cả Albert Einstein, cho rằng vũ trụ là tĩnh và vô hạn. Các quan sát kể từ đó cho thấy rằng nó trên thực tế đang giãn nở và với tốc độ ngày càng nhanh. Điều này có nghĩa là nó phải bắt nguồn từ một điểm xuất phát ban đầu mà chúng ta gọi là vụ nổ lớn, ngụ ý rằng thời gian thực sự có điểm bắt đầu. Trong thực tế, nếu chúng ta quan sát ánh sáng có tuổi đời đủ cao, chúng ta thậm chí có thể nhìn thấy các bức xạ tàn dư từ Vụ Nổ Lớn – bức xạ nền vũ trụ (Cosmic Microwave Background – CMB). Nhận thức này là bước đầu tiên để xác định tuổi của vũ trụ.

Tính tương đối

Nhưng có một khó khăn, thuyết tương đối hẹp của Einstein chỉ ra rằng thời gian là… tương đối: “Trong nhận thức của tôi về thời gian, nếu bạn di chuyển so với tôi càng nhanh thì thời gian trôi qua đối với bạn càng chậm”. Vì vậy, trong vũ trụ của chúng ta gồm các thiên hà đang giãn nở, các ngôi sao quay và các hành tinh xoắn ốc, ở trong đó tốc độ nhanh chậm của thời gian là khác nhau. Do đó, quá khứ, hiện tại và tương lai của mọi thứ đều là tương đối.

Dải ngân hà uốn cong trên khung cảnh tối tăm và nhiều đá.

Tại sao bầu trời đêm có thể cho chúng ta biết một chút về tính tương đối của thời gian. Hóa ra là vì vũ trụ ở góc độ này mà nhìn thì cơ bản là đều giống nhau ở mọi nơi, và nhìn trung bình giống nhau ở mọi hướng, nên có tồn tại thời gian vũ trụ. Để đo lường nó, tất cả những gì chúng ta phải làm là đo các đặc tính của bức xạ vi sóng vũ trụ (là bức xạ điện từ được sinh ra từ thời kỳ sơ khai của vũ trụ). Các nhà vũ trụ học đã sử dụng điều này để xác định tuổi của vũ trụ. Họ đã dựa trên bức xạ vi sóng này để đo lường tuổi của vũ trụ là 13,799 tỷ năm.

Mũi tên thời gian

Vì vậy, chúng tôi biết thời gian rất có thể bắt đầu trong vụ nổ Big Bang. Nhưng vẫn còn một câu hỏi dai dẳng vẫn tồn tại: thời gian chính xác là gì?

Để giải đáp câu hỏi này, chúng ta phải xem xét các thuộc tính cơ bản của không gian và thời gian. Trong chiều không gian, chúng ta có thể di chuyển tới và lui, tất cả mọi người đều trải nghiệm điều này hàng ngày. Nhưng thời gian thì khác, nó chỉ đi theo một hướng mà thôi, chúng ta cảm thấy luôn tiến về phía trước, không bao giờ quay ngược lại. Vậy tại sao chiều của thời gian là không thể thay đổi? Đây là một trong những vấn đề lớn chưa được giải quyết trong vật lý.

Bầu trời đêm có thể cho chúng ta biết một chút công bằng về thời gian. (Hình ảnh : Vườn quốc gia Arches / Flickr.)

Để giải thích tại sao bản thân thời gian là không thể đảo ngược, chúng ta cần tìm 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 “rối loạn” hơn khi thời gian trôi qua. Chúng tôi mô tả điều này bằng cách sử dụng một thuộc tính vật lý được gọi là entropy mã hóa cách một thứ gì đó được sắp xếp theo thứ tự.

Hãy tưởng tượng một hộp khí trong đó tất cả các hạt ban đầu 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 rối loạn) – và để đưa các hạt trở lại trạng thái có trật tự sẽ cần năng lượng. Điều này là không thể được. Nó giống như đập một quả trứng để làm một món trứng tráng. Một khi nó đã vỡ ra và tràn đầy chảo, nó sẽ không bao giờ trở lại thành hình quả trứng như ban đầu nữa. Điều này cũng giống như vũ trụ: khi nó phát triển, thì entropy (đơn vị đo nhiệt năng) tổng thể sẽ tăng lên.

Ngày càng rối loạn

Hóa ra entropy là một cách khá tốt để giải thích mũi tên thời gian. Và trong khi vũ trụ có vẻ như đang trở nên trật tự hơn – ví dụ là khi nó đi từ sự rối loạn trong giai đoạn đầu hình thành các ngôi sao, các hành tinh đến giai đoạn có vẻ trật tự hiện nay – thì vũ trụ vẫn có thể có khả năng gia tăng sự rối loạn. Bởi vì lực hấp dẫn liên quan đến các khối lượng lớn có thể kéo vật chất vào trạng thái gần như trật tự mà chúng ta vẫn thấy, thì với sự gia tăng rối loạn mà chúng ta đang nghĩ phải xảy ra bằng cách nào đó ẩn giấu trong trường hấp dẫn. Do đó sự rối loạn có thể tăng lên cho dù chúng ta không nhìn thấy được.

Đi-ốt rải rác và các linh kiện điện tử nhỏ khác tràn ra từ hộp nhựa.Thật không may, mọi thứ không tự dọn dẹp ngăn nắp được. (Ảnh Credit: Alex Dinovitser/wikimedia, CC BY-SA)

Thuận theo thời gian mọi thứ trong tự nhiên sẽ dần dần biến hoá và hỗn loạn hơn, vậy tại sao ở thời kỳ đầu vũ trụ lại có trật tự đến vậy? đây vẫn được coi là một bí ẩn. Một số nhà nghiên cứu cho rằng vụ nổ lớn thậm chí có thể không phải là sự khởi đầu, trên thực tế có thể có các vũ trụ song song và thời gian chạy theo các hướng khác nhau.

Thời gian sẽ kết thúc?

Thời gian có lúc bắt 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 gia tốc. Tốc độ giãn nở này cuối cùng có thể xé nát vũ trụ, buộc nó phải kết thúc trong một vụ nổ lớn. Mặt khác, năng lượng tối có thể phân rã, đảo ngược vụ nổ lớn và kết thúc vũ trụ trong vụ nổ lớn này, hoặc vũ trụ có thể đơn giản là giãn nở mãi mãi.

Nhưng liệu có phải bất kỳ kịch bản nào trong tương lai này sẽ kết thúc không? Theo các quy tắc kỳ lạ của cơ học lượng tử, các hạt ngẫu nhiên nhỏ bé có thể bật ra khỏi chân không trong giây lát, một thứ được nhìn thấy liên tục trong các thí nghiệm về vật lý hạt. Một số người đã lập luận rằng năng lượng tối có thể gây ra những “dao động lượng tử”, dẫn đến một vụ nổ Big Bang mới, kết thúc dòng thời gian của chúng ta và bắt đầu một dòng thời gian mới.

Mặc dù điều này là cực kỳ suy đoán và rất khó xảy ra, nhưng những gì chúng ta biết là chỉ khi chúng ta hiểu về năng lượng tối, chúng ta mới biết được số phận của vũ trụ. Vậy kết quả có thể xảy ra nhất là gì? Chỉ có thời gian mới trả lời được.

Ngọc Mai

Xem thêm:

• Các cột mốc thời gian minh chứng chính quyền Trung Quốc đã che đậy dịch bệnh viêm phổi Vũ Hán
• Cậu bé sao Hỏa lại đưa ra thuyết vũ trụ chấn động: Nguồn gốc mặt trăng và thời gian Trái đất đã được gia tốc từ lâu rồi
• Bí ẩn về khả năng quay ngược thời gian qua các sự kiện có thật
• ‘Thiên đường cho người lùn’: Sống ở hòn đảo này một thời gian ai cũng cao lên