Chúng ta thường nghĩ về không thời gian như một dòng chảy có khởi đầu và tiếp diễn đến hiện tại. Nhưng các nhà vũ trụ học hiện đại thực sự hiểu biết bao nhiêu về thời gian? Hãy tưởng tượng nếu thời gian trôi ngược lại. Con người sẽ trẻ ra thay vì già đi, và sau một thời gian dài, mọi người dần hồi phục, trở lại những gì họ đã trải qua, và cuối cùng trở thành một đứa trẻ được sinh ra như một tia sáng trong mắt cha mẹ. Nhưng đáng ngạc nhiên, chiều hướng của thời gian cũng là một vấn đề mà các nhà vũ trụ học đang tìm kiếm câu trả lời. Mặc dù chúng ta nghĩ rằng thời gian có một hướng nhất định, các nhà vật lý vẫn chưa xác định được điều này. Hầu hết các định luật tự nhiên, họ lập luận, đều là “thời gian 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 luôn tiến về phía trước? Và liệu nó sẽ luôn như vậy? Thời gian có bắt đầu? Bất kỳ khái niệm phổ quát nào về thời gian cuối cùng phải dựa trên sự tiến hóa của chính vũ trụ. Khi chúng ta nhìn lên vũ trụ, chúng ta thấy các sự kiện đã xảy ra trong quá khứ, vì ánh sáng cần thời gian để đến được chúng ta.
Trên thực tế, ngay cả những quan sát đơn giản nhất cũng có thể giúp chúng ta hiểu về thời gian vũ trụ. Ví dụ, với thực tế là bầu trời đêm tối, nếu vũ trụ có một 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 rộng lớn. Trong một thời gian dài, các nhà khoa học, bao gồm cả Albert Einstein, đã nghĩ rằng vũ trụ là tĩnh và vô hạn. Các quan sát kể từ đó cho thấy nó đang thực sự mở rộng và với tốc độ ngày càng nhanh. Điều này có nghĩa là nó phải bắt nguồn từ một điểm khởi đầu ban đầu mà chúng ta gọi là vụ nổ lớn, ngụ ý rằng thời gian thực sự có một sự bắt đầu. Trên thực tế, nếu chúng ta quan sát ánh sáng đủ cũ, chúng ta thậm chí có thể thấy bức xạ dư từ Vụ nổ lớn, đó là Bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB).
Sự nhận thức này là bước đầu tiên trong việc xác định tuổi của vũ trụ. Nhưng có một khó khăn, thuyết tương đối đặc biệt của Einstein cho thấy rằng thời gian là… tương đối: “Trong nhận thức của tôi về thời gian, bạn di chuyển càng nhanh so với tôi, thời gian trôi qua càng chậm đối với bạn.” Vì vậy, trong vũ trụ của chúng ta với các thiên hà đang mở rộng, các ngôi sao đang quay và các hành tinh đang xoắn ốc, tốc độ thời gian là khác nhau. Do đó, quá khứ, hiện tại và tương lai của mọi thứ đều tương đối.
Tại sao bầu trời đêm có thể cho chúng ta biết một chút về tính tương đối của thời gian? Hóa ra, vì vũ trụ trông ở góc độ này, về cơ bản nó giống nhau ở khắp mọi nơi, và trung bình thì giống nhau theo mọi hướng, vì vậy có thời gian vũ trụ. Để đo nó, tất cả những gì chúng ta phải làm là đo các thuộc tính của bức xạ vi sóng vũ trụ, (là bức xạ điện từ được sinh ra từ buổi đầu của vũ trụ). Các nhà vũ trụ học đã sử dụng điều này để xác định tuổi của vũ trụ. Họ dựa trên bức xạ vi sóng này để đo tuổi của vũ trụ là 13,7 tỷ năm.
Vì vậy, chúng ta biết thời gian rất có thể bắt đầu từ Vụ nổ lớn. Nhưng vẫn còn một câu hỏi dai dẳng. Thời gian chính xác là gì? Để trả lời câu hỏi này, chúng ta phải xem xét các thuộc tính cơ bản của không gian và thời gian. Trong không gian, chúng ta có thể di chuyển tới lui, mọi người đều trải nghiệm điều này mỗi ngày. Nhưng thời gian thì khác, nó chỉ đi theo một hướng, chúng ta luôn cảm thấy mình đang tiến về phía trước, không bao giờ quay lại. Vậy tại sao chiều thời gian lại bất biến? Đây là một trong những vấn đề lớn chưa được giải quyết trong vật lý.
Để giải thích tại sao bản thân thời gian không thể đảo ngược, chúng ta cần tìm các quá trình trong tự nhiên cũng không thể đảo ngược. Một trong số ít khái niệm như vậy trong vật lý, đó là mọi thứ có xu hướng trở nên “hỗn loạn” hơn theo thời gian. Chúng ta mô tả điều này bằng một thuộc tính vật lý, gọi là entropy, (đơn vị đo nhiệt), mã hóa cách một thứ được sắp xếp. Hãy tưởng tượng một hộp khí trong đó tất cả các hạt ban đầu được đặt ở một góc, (tức là một trạng thái có trật tự). Theo thời gian, chúng sẽ tự nhiên tìm cách lấp đầy toàn bộ hộp, (tức là một 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. Nó giống như đập vỡ một quả trứng để làm trứng tráng. Một khi nó vỡ và đổ đầy chảo, nó sẽ không bao giờ trở lại hình dạng trứng ban đầu.
Điều này cũng giống như vũ trụ. Khi nó phát triển, entropy tổng thể cũng vậy. Hóa ra entropy là một cách khá tốt để giải thích mũi tên của thời gian. Và trong khi vũ trụ dường như đang trở nên trật tự hơn, khi nó đi, ví dụ, từ sự hỗn loạn trong giai đoạn đầu của sự hình thành sao, nếu các hành tinh đạt đến giai đoạn dường như có trật tự hiện tại, vũ trụ vẫn có thể tăng thêm 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 có trật tự mà chúng ta thấy, thì với sự gia tăng sự hỗn loạn mà chúng ta đang nghĩ phải xảy ra bằng cách nào đó ẩn trong trường hấp dẫn. Do đó, sự xáo trộn có thể tăng lên ngay cả khi chúng ta không thể nhìn thấy chúng. Theo thời gian, mọi thứ trong tự nhiên sẽ dần thay đổi và trở nên hỗn loạn hơn.
Vậy tại sao vũ trụ sơ khai lại có trật tự như vậy? Điều này 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.
Liệu thời gian có kết thúc? Thời gian có một sự khởi đầu, nhưng liệu nó có kết thúc hay không phụ thuộc vào bản chất của năng lượng tối đang gây ra sự mở rộng của nó với tốc độ gia tốc. Tốc độ mở rộng này cuối cùng có thể xé toạc 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 chỉ đơn giản là mở rộng mãi mãi.
Nhưng liệu bất kỳ kịch bản tương lai nào trong số này có kết thúc? Theo các quy tắc kỳ lạ của cơ học lượng tử, các hạt ngẫu nhiên nhỏ có thể đột ngột xuất hiện từ chân không, điều này được thấy lặp đi lặp lại trong các thí nghiệm về vật lý hạt. Một số người cho rằng năng lượng tối có thể gây ra “dao động lượng tử”, dẫn đến một Vụ nổ lớn 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 khó xảy ra, 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 khả năng xảy ra nhất là gì? Chỉ có thời gian mới trả lời được.
[Tài liệu tham khảo]
- Nguồn thông tin về vũ trụ và vật lý lý thuyết: Nhiều website khoa học và tạp chí chuyên ngành.
- Các bài giảng và công trình nghiên cứu của các nhà khoa học nổi tiếng như Albert Einstein.