Tại sao thời gian không thể quay trở lại?

"Thời gian là thứ giữ cho mọi thứ xảy ra chỉ ở một thời điểm", tiểu thuyết gia khoa học viễn tưởng Mỹ Ray Cummings đã viết như vậy trong "The Girl in the Golden Atom", cuốn tiểu thuyết tóm tắt chức năng của thời gian khá độc đáo. Nhưng làm thế nào thời gian cho mọi thứ xảy ra chỉ 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 tái điều tra "Mũi tên thời gian" - một khái niệm mô tả cuộc hành trình không ngừng về phía trước của thời gian – và nhấn mạnh cách tiếp cận khác về việc thời gian biểu hiện bản thân trên phạm vi vũ trụ.

Theo truyền thống, thời gian được mô tả bởi "giả thuyết quá khứ", giả dụ rằng bất kỳ hệ thống nào bắt đầu từ tình trạng nhiệt động lực (entropy) thấp 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.

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 (hay hỗn loạn).

Nếu điều này được áp dụng trên quy mô Vũ trụ thì người ta giải thiết rằng vụ nổ Big Bang đã sinh ra Vũ trụ trong trạng thái nhiệt động lực thấp, chẳng hạn như một 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, như các giả thuyết đã đưa ra, thời gian cơ bản là được liên kết bởi mức độ của nhiệt động lực, hay rối loạn, trong Vũ trụ của chúng ta.

Tuy nhiên, ý tưởng này vẫn còn một số vấn đề.

Ngay sau vụ nổ Big Bang, có một vài bằng chứng quan sát chỉ ra rằng môi trường của một vụ nổ Big Bang cực nóng và cực hỗn loạn của các hạt nguyên sơ. 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 và phức tạp hơn - từ những đám mây làm mát khí, những ngôi sao được hình thành và những hành tinh được tiến hóa từ sự sụp đổ của trọng lực. Cuối cùng, các nguyên tố có thể kết hợp với nhau thành chất hữu cơ, đem lại sự sống và con người. Trên phạm vi toàn Vũ trụ, do đó "sự hỗn loạn" đã có hiệu quả giảm chứ không phải là tăng như "giả thuyết về quá khứ" 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 vấn đề nêu trên là một vấn đề về nhiệt động lực được đo như thế nào.

Do nhiệt động lực là một đại lượng vật lí có thứ nguyên (như năng lượng và nhiệt độ), nên cần phải có một khung tham chiếu bên ngoài để có thể đánh giá được chúng. "Việc này có thể được thực hiện đối với các hệ thống phụ của vũ trụ bởi phần còn lại của vũ trụ thiết lập những tham chiếu cho chúng. Nhưng toàn bộ vũ trụ - theo định nghĩa – không có khung ngoài tương ứng để định nghĩa những thứ này", ông Mercati viết trong một email trả lời Discovery News.

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

Sự phức hợp là một đại lượng không thứ nguyên, ở trong hình dạng cơ bản nhất của nó, mô tả một hệ thống phức tạp như thế nào. Do đó, nếu ai đó nhìn vào Vũ trụ của chúng ta, sự phức hợp được gắn kết trực tiếp với thời gian; khi thời gian vận động, Vũ trụ trở nên càng có cấu trúc hơn.

"Câu hỏi chúng tôi tìm kiếm để trả lời trong nghiên cứu của chúng tôi là: cái gì thiết lập những hệ thống này trong trạng thái nhiệt động lực rất thấp như vậy ngay từ đầu? Câu trả lời của chúng tôi là: trọng lực và xu hướng của nó tạo ra trật tự và cấu trúc (phức hợp) từ sự hỗn loạn", ông Mercati cho biết.

Để thực nghiệm ý tưởng này, ông và các đồng nghiệp đã tạo ra các mẫu máy vi tính cơ bản để mô phỏng các hạt trong một vũ trụ đồ chơi. Họ phát hiện rằng bất kể mô phỏng được vận hành thế nào, qua thời gian độ 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 ("bát canh nóng" 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 phụ trở nên đủ độc lập để các lực khác thiết lập các điều kiện cho mũi tên thời gian "kinh điển" để thống trị trong các hệ thống nhiệt động lực thấp. Trong các hệ thống phụ 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, quan niệm của chúng ta về thời gian được điều khiển bởi sự tăng trưởng liên tục của phức tạp, nhưng trong những hệ thống phụ 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 phân lập bởi những khoảng cách rộng lớn. Trong quá khứ rất xa, chúng kết tụ với nhau hơn. Phỏng đoán của chúng tôi là nhận thức về thời gian của chúng ta là kết quả của một định luật xác định tốc 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 quan sát vũ trụ".

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

Thanh Xuân

Theo Discovery News/Popsci