Thời gian là gì? Những điều nhỏ bé nhưng rất thú vị về thời gian

Thời gian là gì?

Thời gian là khái niệm mô tả sự tiến triển không ngừng của sự tồn tại và các sự kiện xảy ra trong một sự kế thừa không thể đảo ngược từ quá khứ, qua hiện tại, và đến tương lai.

Hãy tưởng tượng nếu thời gian chạy ngược, con người sẽ trẻ dần thay vì già đi, và sau một thời gian trẻ hóa dần dần, cuộc đời của họ sẽ kết thúc trong rưng rưng nước mắt của bố mẹ. Đó là thời gian được miêu tả trong một cuốn tiểu thuyết của nhà văn khoa học viễn tưởng Philip K Dick. Nhưng, ngạc nhiên thay, chiều của thời gian lại cũng là một vấn đề khiến các nhà vũ trụ học phải đau đầu.

Trong khi chúng ta thừa nhận rằng thời gian có một chiều nhất định, thì các nhà vật lý lại nói không: Hầu hết các định luật vật lý đều phải "quay ngược thời gian", có nghĩa là họ sẽ chỉ làm việc với thời gian được định nghĩa chạy ngược về quá khứ.

Thời gian có điểm khởi đầu hay không?

Bất cứ khái niệm phổ quát nào của thời gian cuối cùng cũng phải dựa trên chính sự phát triển của vũ trụ. Khi bạn nhìn vào vũ trụ, bạn đang thấy các sự kiện đã diễn ra trong quá khứ, bởi ánh sáng cần thời gian để đến với chúng ta. Trong thực tế, thậm chí việc quan sát đơn giản nhất cũng có thể giúp chúng ta hiểu về thời gian vũ trụ: lấy ví dụ thực tế là bầu trời đêm tối. Nếu vũ trụ có một quá khứ vô hạn và vô biên, thì bầu trời đêm sẽ phải hoàn toàn sáng do được lấp đầy bởi ánh sáng từ vô số các vì sao trong vũ trụ đã luôn luôn tồn tại.

Trong một thời gian dài, các nhà khoa học, kể cả Albert Einstein, nghĩ rằng vũ trụ là tĩnh lặng và vô hạn. Các quan sát sau này đã chỉ ra rằng vũ trụ thực ra đang giãn nở, và thậm chí là đang giãn nở ngày càng nhanh hơn. Điều này có nghĩa là nó phải có nguồn gốc từ một trạng thái nhỏ gọn mà chúng ta gọi là Vụ Nổ Lớn (Big Bang), ngụ ý rằng thời gian có điểm khởi 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.

Nhưng có một trở ngại, thuyết tương đối đặc biệt của Einstein chỉ ra rằng thời gian là... tương đối! Nếu bạn di chuyển càng nhanh đến tôi, thời gian của bạn sẽ trôi qua chậm hơn tương đối với nhận thức của tôi về thời gian. Do đó trong vũ trụ của các thiên hà đang di chuyển xa nhau, các ngôi sao quay quanh nhau và các hành tinh đang quay, thực nghiệm về thời gian cũng khác nhau: Quá khứ, hiện tại, và tương lai của mọi thứ là tương đối.

Vậy liệu có một thời gian phổ quát mà tất cả chúng ta đều thừa nhận hay không?

Bởi vì vũ trụ về bình diện là như nhau ở mọi nơi, và nhìn chung là giống nhau ở mọi hướng, nên có tồn tại một "thời gian vũ trụ". Để đo được nó, tất cả những gì chúng ta phải làm là đo đạc các tính chất của bức xạ nền vũ trụ. Các nhà vũ trụ học đã dùng điều này để xác định tuổi của vũ trụ và xác định rằng, vũ trụ có khoảng 13.799 tỷ năm tuổi.

Mũi tên thời gian

Chúng ta biết thời gian rất có thể bắt đầu từ Vụ Nổ Lớn. Nhưng có một câu hỏi dai dẳng vẫn tồn tại: Thời gian chính xác nó là gì?

Để giải đáp câu hỏi này, chúng ta phải nhìn vào tính chất cơ bản của không gian và thời gian. Trong chiều của không gian, bạn có thể di chuyển tới hoặc lùi; tất cả mọi người đều trải nghiệm việc di chuyển này hàng ngày. Nhưng thời gian thì khác, nó có một chiều mà thôi, bạn luôn luôn phải đi tới, không bao giờ quay lại được. Vậy rại sao chiều thời gian lại không thể quay ngược? Đây là một vấn đề lớn chưa được giải quyết của vật lý.

Để giải thích tại sao bản thân thời gian là không thể đảo ngược, chúng ta cần phải tìm đến các quá trình trong tự nhiên đồng thời cũng không thể đảo ngược. Một trong những khái niệm vật lý (và cuộc sống!) là mọi thứ có xu hướng bớt "gọn gàng" khi thời gian trôi qua. Chúng ta mô tả điều này bằng một tính chất vật lý gọi là entropy, thứ đang mã hóa cách mà mọi thứ được xếp đặt.

Hãy tưởng tượng một hộp chứa chất khí, trong đó tất cả các hạt ban đầu được đặt ở một góc (một trạng thái trật tự). Theo thời gian chúng sẽ tự nhiên tìm cách lấp đầy chiếc hộp (một trạng thái rối loạn). Để đưa các hạt này trở lại trạng thái trật tự sẽ cần đến năng lượng. Điều này gọi là không thể đảo ngược. Nó giống như đập vỡ một quả trứng để làm món trứng tráng, một khi quả trứng đã lan ra và tràn vào chảo, nó sẽ không bao giờ quay lại hình dạng của quả trứng nữa. Cũng tương tự với vũ trụ: khi vũ trụ phát triển, entropy tổng thể sẽ tăng lên.

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.

Nhưng với xu hướng của tự nhiên thiên về sự rối loạn, tại sao vũ trụ lại bắt đầu từ trạng thái ổn định ban đầu? Điều này vẫn được xem là một bí ẩn. Một số nhà nghiên cứu cho rằng Vụ Nổ Lớn có thể không phải là sự bắt đầu, mà trong thực tế có thể có các "vũ trụ song song", nơi mà thời gian chạy theo các hướng khác nhau.

Thời gian có kết thúc hay không?

Thời gian có điểm khởi đầu, nhưng liệu nó sẽ có kết thúc hay không tùy thuộc và bản chất của năng lượng tối đang khiến cho vũ trụ giãn nở ngày càng nhanh. Sự gia tăng của quá trình giãn nở này có thể cuối cùng sẽ xé toạc vũ trụ, buộc vũ trụ phải kết thúc bằng một Vụ Xé Lớn (Big Rip); khả năng khác là năng lượng tối có thể phân rã, đảo ngược vũ trụ trở lại Vụ Nổ Lớn và vũ trụ kết thúc bằng một Vụ Co Lớn (Big Crunch); hoặc vũ trụ đơn giản là sẽ giãn nở mãi mãi.

Nhưng liệu những viễn cảnh này có kết thúc thời gian? Theo các định luật kỳ lạ của cơ học lượng tử, các hạt ngẫu nhiên nhỏ xíu có thể trong giây lát bật ra khỏi chân không - một thứ gì đó nhìn thấy liên tục trong các thí nghiệm vật lý hạt. Một số cho rằng năng lượng tối có thể khiến các "thăng giáng lượng tử" này tạo nên một Vụ Nổ Lớn mới, kết thúc dòng thời gian của chúng ta và bắt đầu một dòng thời gian mới. Trong khi điều này là rất lý thuyết và không chắc chắn, thì thứ chúng ta biết hiện nay là: chỉ khi chúng ta hiểu được năng lượng tối thì chúng ta sẽ biết được số phận của vũ trụ.

Vậy kết quả là gì? Chỉ có thời gian mới trả lời được.

Thời gian có thật hay không?

Nếu cho 2 người di chuyển với cùng một vận tốc thì họ sẽ đi được quãng đường giống nhau trong một thời gian như nhau. Nhưng chỉ cần 1 người thay đổi tốc độ thì người đó sẽ thấy số đo quãng đường và thời gian của người kia thay đổi, cho dù người kia vẫn giữ nguyên như cũ.

Thực tế, không có bất cứ lý do gì để coi quan điểm của người này đúng hơn của người kia, có nghĩa là thời gian không phải là một đơn vị bất biến. Nó là một phép đo tương đối, có thể thay đổi khi các vật thể chuyển động nhanh hơn hoặc chậm hơn, hoặc khi chúng chịu lực hấp dẫn mạnh hơn hoặc yếu hơn.

Một vấn đề khác, lực hấp dẫn có thể uốn cong không gian và thời gian, lực hấp dẫn càng lớn thì nó càng uốn cong không gian - thời gian nhiều hơn và làm cho thời gian càng chậm lại. Điều này là lý do vì sao các nhà du hành trên Trạm Vũ trụ quốc tế, những người ở rất xa Trái Đất, không chịu tác động của lực hút Trái Đất, lại già đi chậm hơn một chút so với những người trên Trái Đất.

Thời gian hoạt động ra sao?

Trước khi Albert Einstein đưa ra "Thuyết tương đối hẹp", người ta cho rằng thời gian là một lực không đổi, độc lập, như thể tiến trình của vũ trụ được vận hành bởi một chiếc đồng hồ duy nhất.

Tới năm 1905, Einstein đã chứng minh được rằng, dù sự trôi đi của thời gian được coi là có mối liên hệ chặt chẽ với không gian, nhưng thuyết tương đối hẹp đã lần đầu tiên kết hợp không gian và thời gian thành một trường duy nhất, một trường có các phép đo thay đổi tùy theo chuyển động tương đối hoặc các lực trọng trường của các vật thể bên trong trường đó.

Cuối cùng, thiên tài của thế giới đưa ra một kết luận rằng, thời gian là tương đối.

Thời gian có thể quay ngược hay không?

Trong vũ trụ của chúng ta, chúng ta hoàn toàn tự do và có thể đi bất cứ đâu mình muốn, nhưng chúng ta buộc phải du hành dọc theo mũi tên tuyến tính của thời gian.

Các phép tính cho thấy vượt qua chân trời của một hố đen sẽ hoán đổi những chiều tự do này. Vì thế chúng ta sẽ không còn phải đi theo một chiều của thời gian nữa mà có thể du hành ngược về quá khứ hoặc tới tương lai, nhưng cũng lại mất đi sự tự do di chuyển trong không gian.

Mặc dù những kịch bản này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về bản chất của thời gian, nhưng cả tốc độ ánh sáng và du hành qua các hố đen vẫn là những rào cản mà chúng ta không vượt qua nên trên thực tế du hành thời gian vẫn là điều không thể trên thực tế.

Làm thế nào để thời gian chậm lại?

Ngoài các kịch bản như du hành vào không gian, thoát ra khỏi lực hút của Trái Đất, các nhà khoa học còn tìm ra một phương án để thời gian chậm lại. Cách này không phải là vận dụng các phương pháp vật lý hay dựa vào bản chất của thời gian, mà là cách chúng ta cảm nhận về cuộc sống nhanh hay chậm.

Theo đó, nếu dấn thân vào những trải nghiệm mới hoặc môi trường mới thực sự có thể làm cho thời gian đi chậm lại. Điều này có thể liên quan đến lượng thông tin mà não bộ của chúng ta tiếp nhận và xử lý. Khi chúng ta còn trẻ và học hỏi một thứ gì đó mới, thế giới dường như vận hành chậm hơn. Khi chúng ta ngày một lớn hơn và sinh hoạt theo thói quen, ngày và năm dường trôi qua nhanh hơn.

Thực tế, trừ khi sở hữu một con tàu vũ trụ, không có gì có thể làm cho tuổi già của bạn đến chậm hơn, nhưng nếu hiểu được rằng thời gian quả là có hơi gấp gáp hơn so với nhiều người chúng ta nhận thức được thì cũng có thể là một lời nhắc nhở để chúng ta thấy rằng mình hoàn toàn có khả năng thay đổi nhận thức về giá trị của thời gian, dù chỉ là một chút.