Hãy quên thời gian đi

Liệu có thể mô tả vũ trụ mà không cần cầu cứu đến thời gian chăng? Điều này không những là có thể được mà thậm chí là một điều cần thiết theo quan điểm của Carlo Rovelli. Nhà vật lý lý thuyết Rovelli chủ trương cần phải xét lại nhận thức của chúng ta về thời gian. Sau đây là bài phỏng vấn Carlo Rovelli do Helene Le Meur (báo La Recherche, tháng 6/2010, No 442) thực hiện.

La Recherche (L.R): Trong bài báo có tên “Hãy quên đi thời gian” (1), ông khẳng định rằng thời gian không tồn tại, xin ông giải thích thêm ý tưởng của ông?

Carlo Rovelli (C.R):Ý tôi muốn nói rằng ở mức cơ bản nhất chúng ta không cần đến thông số thời gian mới có thể mô tả được vũ trụ. Cơ sở lý thuyết để tôi khẳng định điều này là lý thuyết LQG (Loop Quantum Gravity) (2). Lý thuyết này có mục tiêu thống nhất lý thuyết tương đối rộng điều khiển các hệ có kích cỡ lớn trong vũ trụ với lý thuyết lượng tử điều khiển thế giới vi mô. Đây cũng không phải là lý thuyết độc nhất không cần đến thời gian. Ý tưởng không cần đến thời gian là một ý tưởng đã cũ trong vật lý học. Quả thật như vậy người ta có thể diễn đạt hình thức luận toán học của cơ học cổ điển Newton mà không cần đến thông số thời gian. Thực tế thông số này tồn tại ngang hàng với các thông số khác như các thông số điện trường, hay toạ độ của mặt trăng chẳng hạn. Và chính mối liên quan giữa những thông số ấy là nội dung của lý thuyết cổ điển. Người ta có thể mô tả mọi thứ mà không cần gán cho thời gian một tính chất gì đặc biệt. Và ý tưởng này đã có từ lâu trước cả lý thuyết tương đối rộng.

L.R.: Lý thuyết tương đối rộng đã đem lại những gì trong vấn đề này?

C.R.: Lý thuyết tương đối rộng (3) đã thay đổi tất cả. Điều gì trong lý thuyết cổ điển là khả dĩ thì ở đây là một điều bắt buộc: trong lý thuyết tương đối rộng, không tồn tại “một” thời gian vật lý, bởi vì mỗi đối tượng có một thời gian riêng của mình. Nói cách khác mỗi đối tượng vẽ nên một quỹ đạo trong một đa tạp gọi là không - thời gian. Và chính cái hình học của đa tạp này xác định thời gian riêng nói trên. Thời gian riêng này không chảy một cách giống nhau nếu đối tượng nằm trong hay ngoài thiên hà. Thời gian này không có điểm gì chung với thời gian của Newton . Thời gian Newton giống như một chiếc đồng hồ khổng lồ nằm ngoài vũ trụ và các kim của nó chỉ định một thời gian tuyệt đối cho toàn vũ trụ. Trong lúc đó đối với lý thuyết tương đối rộng thì thời gian không nằm ngoài lý thuyết vì thời gian phụ thuộc vào hình học, và do đó phụ thuộc vào trường hấp dẫn. Thời gian này hoàn toàn khác với thời gian mà chúng ta nhận thức thông thường.

L.R.: Và vấn đề lại trở nên phức tạp hơn khi chúng ta đề cập đến cơ học lượng tử?

C.R.: Đúng như vậy! ở kích cỡ nhỏ hơn độ dài Planck (10-33cm) lúc mà cơ học lượng tử trở nên rất quan trọng thì quỹ đạo không còn tồn tại nữa! Các hạt cơ bản không đi theo một quỹ đạo nào mà theo một tập chồng chất (superposition) của nhiều quỹ đạo. Ở đây ngay cả thời gian riêng cũng không có! Không có một thông số nào có thể làm nhiệm vụ một chiếc đồng hồ trong vùng dưới độ dài Planck. Thế giới thực tại là một tập chồng chất các trạng thái lượng tử. Ở đây viết ra các phương trình cơ bản của vật lý mà không cần đến thời gian là một điều bắt buộc cần thiết chứ không còn là một điều khả dĩ nữa.

L.R.: Vậy hiện nay chúng ta có thể không cần đến thời gian?

C.R.: Chúng ta đã qua nhiều giai đoạn. Trước hết chúng ta đã chứng minh rằng trong lý thuyết tương đối rộng ngôn ngữ phi thời gian là một ngôn ngữ khả dĩ. Hiện nay chúng ta lại muốn làm điều ấy đối với lý thuyết hấp dẫn lượng tử. Và một hình thức luận cho điều này đã xuất hiện. Một ví dụ là lý thuyết LQG. Lý thuyết này thiết lập các mối liên hệ giữa những thông số vật lý mô tả quá trình tiến triển của vũ trụ mà không cầu cứu đến thời gian. Song đúng ra chúng ta chưa có được một lý thuyết hoàn hảo đáng tin cậy.

L.R.: Một cách cụ thể làm thế nào mà một lý thuyết phi thời gian lại có thể mô tả các biến đổi? Làm thế nào mà lý thuyết đó mô tả chuyển động của các hành tinh?

C.R.: Trong lý thuyết cổ điển muốn mô tả chuyển động của các hành tinh trong Thái dương hệ tôi sử dụng một đồng hồ. Ứng với mỗi thời điểm trên đồng hồ, lý thuyết sẽ cho tôi toạ độ của mỗi hành tinh. Bây giờ tôi ném chiếc đồng hồ đi: lý thuyết không có thời gian sẽ cho tôi biết ứng với mỗi vị trí của mặt trời thì các hành tinh Sao Kim, Sao Thuỷ, Sao Mộc và v.v… đang nằm ở vị trí nào. Nói tóm lại tôi đã mô tả được chuyển động của các hành tinh như mong muốn. Vậy ở mức cơ bản thông số thời gian như là một thông số đặc biệt không còn tồn tại nữa.

L.R.: Như thế ông muốn nói rằng thời gian như là một thông số đặc biệt chỉ là một “điều tiểu xảo” do Newton sáng tạo ra?

C.R.: Để giải thích điều này tôi xin kể lại câu chuyện Galileo đã phát hiện ra rằng quả lắc là một đồng hồ tốt. Chuyện kể rằng trong nhà thờ Pise khi nhìn một quả lắc lớn treo trên vòm nhà thờ đang đung đưa qua lại, Galileo đã tính số nhịp đập trái tim giữa hai dao động của quả lắc và thu được những con số như nhau và Galileo kết luận từ đó rằng quả lắc nhà thờ Pise là một công cụ đo thời gian tốt. Trong các đồng hồ cơ học đều có một yếu tố dao động, tương tự như vậy trong một đồng hồ nguyên tử có một nguyên tử dao động. Và ngày nay người ta đo nhịp tim bằng một chiếc đồng hồ. Vậy thực tế Galileo đã đo được điều gì? Galileo đã đo chu kỳ dao động của quả lắc bằng nhịp đập trái tim của mình. Cuối cùng ta chẳng bao giờ đo thời gian mà chỉ đo một thông số này so với một thông số khác mà thôi! Ý tưởng của Newton là tưởng tượng ra một thông số là thời gian mà chúng ta không đo gì cả và dùng thông số đó để mô tả mọi phương trình. Tất cả vật lý học đều sử dụng “tiểu xảo” đó. Tiếc thay khi chúng ta thống nhất lý thuyết tương đối rộng với lý thuyết lượng tử thì “tiểu xảo” này không làm việc nữa, không còn tồn tại một thông số như thế để điều khiển cuộc khiêu vũ của mọi vật.

L.R.: Được rồi! chúng ta có thể không cần thời gian nhưng xin hỏi ông vì sao chúng ta luôn nhận thức sự tồn tại thời gian trong cuộc sống thường nhật?

C.R.: Ta có thể đem so sánh điều này với bài toán màu sắc. Trong thời kỳ Phục hưng người ta đã hiểu rằng màu sắc không phải là tính chất cơ bản của vật chất. Ngay các nguyên tử cũng không có màu, và chúng ta giải thích vì sao chúng ta nhận biết được màu sắc. Nói cách khác chúng ta phải tìm cho ra điều gì đã đem lại màu sắc cho vật chất không màu sắc. Trong trường hợp thời gian chúng ta phải hiểu được trong những điều kiện như thế nào thì thời gian xuất hiện và điều gì đã gây nên trải nghiệm của chúng ta đối với màu sắc. Nhưng cần phải nói rằng đó không phải là một tính chất cơ bản.

L.R.: Làm thế nào mà thời gian đột sinh (emerger) từ một lý thuyết không có thời gian?

C.R.: Đây là một câu hỏi mở. Cùng với nhà toán học Alain Connes tôi đưa ra ý tưởng về thời gian nhiệt học (temps thermique). Chúng tôi mỗi người một cách đưa ra khái niệm thời gian xét về khía cạnh nhiệt động học hơn là khía cạnh cơ học. Trong nhiệt động học người ta sử dụng thống kê. Nhiệt năng ứng với các chuyển động nhiệt, người ta không biết được chuyển động riêng lẻ của từng nguyên tử mà chỉ mô tả được chuyển động trung bình của chúng. Khi tôi nói rằng “cốc trà này nóng” là tôi chỉ nói đến nhiệt độ chứ không nói đến chuyển động của các phân tử. Sử dụng cách tiếp cận như thế chúng tôi có thể đưa ra một công thức chính xác về trạng thái thống kê từ đó suy ra một thông số thời gian. Như vậy đối với chúng tôi thời gian là hệ quả của sự không biết được các chi tiết. Nếu chúng tôi biết được mỗi thông số, toạ độ vi mô chính xác của mỗi nguyên tử, thì không còn thống kê và vì thế không còn thời gian.

L.R.: Nếu chúng ta xét sự tương tự với những phân tử trong cốc nước trà thì ta phải xét những gì?

C.R.: Mọi hệ nhiệt học đều được mô tả bởi một trạng thái thống kê, một sự phân bố xác suất trên mọi cấu hình vi mô. Trạng thái này cho phép tính được một thông số thời gian. Đó là thông số ứng với trạng thái cân bằng của hệ. Ý tưởng ở đây là chúng ta đều là các hệ nhiệt học. Như thế lẽ dĩ nhiên chúng ta có một ý niệm về thời gian gắn liền. Và mỗi lúc có một hệ cân bằng là mỗi lúc có một thời gian. Tồn tại một hướng ưu tiên đối với hướng đó trạng thái cân bằng được thiết lập.

L.R.: Như vậy chúng ta tìm lại được mũi tên thời gian xác định thời gian chỉ chảy theo một chiều?

C.R.: Vâng, trạng thái cân bằng xác định một thời gian. Chúng ta sống trong một thế giới nằm gần kề trạng thái cân bằng. Chúng ta có thể nghĩ rằng đó là sự chuyển từ một trạng thái cân bằng này sang một trạng thái cân bằng khác. Như vậy chúng ta có thể mô tả một thời gian có đủ các tính chất nhiệt động học: entropie của nó tăng lên và gắn cho thời gian một hướng ưu tiên với mọi tính chất của thời gian mà chúng ta biết. Chúng ta vì thế hiểu được vì sao trong thế giới của chúng ta tồn tại một thông số đặc biệt như là thời gian. Và đồng hồ là một thiết bị cơ học đồng bộ với thời gian đó.

L.R.: Người ta đón nhận những ý tưởng của ông như thế nào?

C.R.: Có nhiều thái độ đón nhận các ý tưởng đó. Nhưng những nhà vật lý lý thuyết đều hiểu rằng chúng ta phải thay đổi nhận thức về thời gian như Edward Witten, một cây cổ thụ của Lý thuyết dây (LTD) (4). Tại một cuộc hội thảo gần đây ở Geneve, giải Nobel David Gross, cũng là một nhà LTD, cũng lên tiếng kêu gọi xét lại nhận thức của chúng ta về thời gian. Nhiều nhà vật lý chia sẻ ý tưởng không tồn tại thời gian ở mức cơ bản. Song cũng có người không chấp nhận ý tưởng đó ví dụ người bạn của tôi là Lee Smolin là người đã cùng tôi xây dựng lý thuyết LQG. Hơn nữa vì chưa có một lý thuyết hấp dẫn lượng tử hoàn chỉnh cho nên các ý kiến về việc xét lại thời gian phân rẽ theo nhiều nhánh khác nhau. Riêng đối với thời gian nhiệt học thì đó là một ý tưởng đặc biệt mà không có nhiều người đồng thuận. Có rất ít người nghiên cứu theo hướng này còn những người khác thì xem đó như là một ý tưởng kỳ lạ. Khó khăn trước mắt là làm cho ý tưởng này đem lại kết quả để có thể thuyết phục người khác.

_________

Tài liệu tham khảo:

1. Carlo Rovelli, It faut oublier le temps, La Recherche, tháng 6/2010, No 442, bài báo gốc là “Forget time” đăng trong FQXi (Foundational Questions Institute) 2008, về bản chất của thời gian.

2. LQG (Loop Quantum Gravity - Hấp dẫn Lượng tử Vòng), trong LQG không - thời gian không còn là liên tục, mà được cấu tạo bằng những “nguyên tử”, đấy là những phần tử thể tích không - thời gian không phân chia được nữa. Như vậy vũ trụ không biến thiên một cách liên tục mà tiến triển từng bước như trong một máy tính. Danh từ “vòng” (loop) phát sinh từ việc một số tính toán trong LQG gắn liền với những vòng vẽ nên trong không thời gian.

3. Lý thuyết tương đối rộng (GR – General Relativity) là lý thuyết hấp dẫn cổ điển do Einstein xây dựng nên.

4. LTD (String theory – Lý thuyết dây), lý thuyết có khả năng thống nhất hấp dẫn và lượng tử, trong LTD thực thể cơ bản nhất là một dây vi mô, các trạng thái kích thích của dây vi mô này tạo ra các hạt cơ bản.

Carlo Rovelli, Trung tâm vật lý lý thuyết Luminy, Marseille, Pháp

Trong lý thuyết tương đối rộng của Einstein, sân khấu chính thức của các sự kiện không phải là thời gian mà cũng không phải là không gian mà là đa tạp tích hợp: không - thời gian. Hấp dẫn đã làm cong thời gian và như thế thời quãng (duration) một giây ở đây không giống thời quãng một giây ở nơi khác. Ta khó lòng nói được một sự kiện này xảy ra trước hay sau một sự kiện khác.