Thời gian phải chăng chỉ là một ảo tưởng?

Các khái niệm về thời gian và sự thay đổi của thời gian có thể đột sinh từ một vũ trụ mà về cơ bản là phi thời gian tính. Thời diểm hiện tại được cảm nhận là đặc biệt, hiện tại là hiện thực. Song khi bạn hồi tưởng lại quá khứ hay suy tưởng về tương lai, bạn vẫn đang sống trong hiện tại. Lẽ dĩ nhiên thời quãng bạn đọc những dòng chữ này không kéo dài lâu. Nói cách khác ta cảm thấy thời gian đang chảy nhưng thực tế là hiện tại đang liên tục cập nhật.

Chúng ta có một cảm nhận trực giác về sự định hình của quá khứ và sự hình thành của tương lai chỉ khi nào hiện tại xuất hiện. Các phương trình vật lý không nói cho chúng ta biết những sự kiện nào đang xảy (điều này trông giống một bản đồ mà không ghi rõ “bạn đang ở nơi nào”). Như vậy thời gian hiện tại không có mặt trong các phương trình do đó cũng không có dòng chảy của thời gian.

Sự cách biệt trong suy nghĩ thông thường của chúng ta và cách hiểu thời gian trong khoa học đã làm bối rối nhiều nhà tư tưởng suốt thời gian lịch sử.

Nhiều nhà vật lý lý thuyết tin rằng thời gian không tồn tại.

Ý tưởng thời gian không tồn tại quả là rất khó hiểu đối với trực giác. Mọi việc chúng ta làm dường như đều thực hiện trong thời gian. Một lý thuyết không có thời gian phải đương đầu với việc giải thích vì sao chúng ta thấy mọi sự thay đổi nếu quả thật trong vũ trụ không có thời gian.

Mặc dầu thời gian không tồn tại ở mức cơ bản song thời gian có thể xuất hiện ở những mức cao hơn - hoàn toàn giống như một cái bàn trông như một vật rắn mặc dầu được cấu tạo bởi một tập các hạt kết với nhau trong một không gian gần như trống rỗng. Như vậy tính rắn là một tính tập thể, nói cách khác là một sự đột sinh (emergent) từ tập của các hạt. Tương tự như vậy thời gian chính là một tính chất đột sinh bất kể đối với các thành phần nào của vũ trụ.

Khái niệm về sự đột sinh của thời gian là một thế cách mạng biểu diễn sự phát triển của lý thuyết tương đối và cơ học lượng tử. Các nhà vật lý lý thuyết khi đeo đuổi mộng tưởng thống nhất đều xem vấn đề thời gian là vấn đề cơ bản. Họ nghĩ rằng một lý thuyết thống nhất phải là một lý thuyết không có thời gian, và cho rằng nếu không đi sâu vào tìm hiểu thời gian thì khó lòng xây dựng được lý thuyết thống nhất.

Sự xuất hiện và biến đi của thời gian

Thời gian đã đảm đương nhiều công việc trong vật lý song các công việc đó có thể càng ngày càng biến mất đi.

Thời gian cổ điển

Chúng ta sẽ lấy làm lạ khi các định luật chuyển động của Isaac Newton đòi hỏi thời gian phải có nhiều tính chất rất đặc biệt. Mọi người quan sát đều công nhận tính kế tiếp của nhiều sự kiện, trong vật lý cổ điển chúng ta có thể nói rằng một sự kiện này xảy ra trước, sau hay đồng thời với một sự kiện khác. Như thế thời gian cung cấp một phương tiện để xếp đặt thứ tự của các sự kiện. Tính đồng thời của hai sự kiện là một điều tuyệt đối độc lập với mọi người quan sát. Hơn nữa thời gian phải liên tục bởi vì có như thế thì chúng ta mới định nghĩa được vận tốc và gia tốc. Thời gian cổ điển đòi hỏi khái niệm thời quãng (duration)-mà các nhà vật lý gọi là metric-như thế chúng ta có thể xác định được khoảng cách giữa hai sự kiện trong thời gian. Cũng giống như thứ tự các sự kiện, thời quãng giữa hai sự kiện là một yếu tố độc lập với mọi người quan sát.

Như vậy về thực chất Newton đòi hỏi rằng vũ trụ song hành với sự tồn tại một đồng hồ chủ (master clock). Chiếc đồng hồ này phân vũ trụ thành nhiều thời điểm và vật lý Newton chỉ lắng nghe tiếng tích tắc của chiếc đồng hồ này mà thôi. Newtoncảm nhận dòng chảy thời gian và đồng thời cảm nhận hướng chảy của thời gian đó về tương lai, mặc dầu những tính chất bổ sung này của thời gian không bị đòi hỏi bởi các định luật Newton .

Thời gian Newton giống như chiếc mũ cũ của chúng ta song một phút suy nghĩ cho chúng ta thấy những điều lạ lùng. Các tính chất của thời gian: thứ tự (order), liên tục (continuity), thời quãng (duration), tính đồng thời (simultaneity), dòng chảy (flow) và mũi tên thời gian (arrow of the time) đều kết dính với đồng hồ chủ mà Newton gọi là “thời gian”. Toàn thể những tính chất này không thay đổi suốt trong gần hai thế kỷ.

Mũi tên thời gian

Sau đó những tính chất này bị nhiều cuộc tấn công vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế ký 20. Cuộc tấn công đầu tiên là từ phía nhà vật lý người Áo Ludwig Boltzman: nếu các định luật Newton là đúng cho cả hai chiều của thời gian thì sẽ không có mũi tên thời gian (luôn hướng về tương lai). Thay vì vào đó Boltzman cho rằng hướng mũi tên thời gian không phải là một tính chất nội tại của thời gian mà xuất phát từ tính bất đối xứng của vật chất hình thành trong vũ trụ. Boltzman đã loại được một tính chất của thời gian Newton một cách thuyết phục.

Thời gian trong lý thuyết tương đối

Tiếp theo là cuộc tấn công của Einstein về ý tưởng đồng thời (simultaneity) tuyệt đối: theo lý thuyết tương đối thì sự đồng thời còn phụ thuộc vào chúng ta chuyển động như thế nào.

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. Hai quan sát viên chuyển động với hai vận tốc khác nhau không thể đồng ý với nhau rằng một sự cố nào đó xảy ra lúc nào và ở đâu song họ có thể đồng ý với nhau rằng sự cố đó đã xảy ra tại tọa độ nào trong không-thời gian.

Một điều tồi tệ nữa lại xảy ra năm 1915 khi Einstein xây dựng xong lý thuyết tương đối tổng quát thống nhất lý thuyết tương đối hẹp với lực hấp dẫn. Hấp dẫn đã làm cong thời gian và như thế thời quãng 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. Mặc dầu nhiều nhà vật lý cho rằng một lý thuyết thống nhất sẽ có thể loại thời gian, thực tế thời gian đã mất đi từ năm 1915.

Cắt lát không-thời gian để thấy thời gian có điểm khác biệt với không gian

Chúng ta có thể nghĩ rằng sự khác biệt giữa không gian và thời gian gần như biến mất và kịch trường chính thức của các sự kiện là một đa tạp 4 chiều. Lý thuyết tương đối dường như không gian hóa (spatialize) thời gian: biến thời gian thành một chiều của đa tạp đó. Không-thời gian giống như một ổ bánh mì mà chúng ta có thể cắt lát theo nhiều chiều (Hình 1).

Ngay cả trong lý thuyết tương đối tổng quát thời gian vẫn giữ một nhiệm vụ khác biệt để giúp phân biệt hai khái niệm “ đồng dạng thời gian” (timelike) và “đồng dạng không gian” (spacelike). Các sự kiện đồng dạng thời gian là những sự kiện nối liền nhau bởi nguyên lý nhân quả: tồn tại những vật thể hoặc ánh sáng có thể đi từ sự kiện này đến sự kiện kia để gây nên nhân quả. Các sự kiện đồng dạng không gian là những sự kiện không có dính dáng gì với nhau về nhân quả: không tồn tại những vật thể hoặc ánh sáng có thể đi kịp từ sự kiện này đến sự kiện kia để đảm bảo được nguyên lý nhân quả.

A/ Hãy cắt lát không thời gian thành từng lát cắt từ quá khứ đến tương lai: mỗi lát cắt là một không gian 3 - chiều tại một thời điểm. Tổng các lát cắt đó làm thành không-thời gian 4-chiều.

B/ Song nếu ta cắt theo một kiểu khác theo hướng Đông Tây thì mỗi lát cắt 3-chiều lại là một hỗn hợp lạ lùng của các sự kiện đồng dạng không gian và các sự kiện đồng dạng thời gian.

Hai cách cắt lát này giống như cách ta cắt một ổ bánh mì theo chiều thẳng đứng hoặc theo chiều nằm ngang.

Cách cắt lát thứ nhất cho những hình ảnh không gian tại những thời điểm kế tiếp của thời gian.

Cách cắt lát thứ hai không có một hình ảnh tương tự nào: nó tương ứng với cách cắt không thời gian không phải từ quá khứ đến tương lai mà từ phía Đông sang phía Tây. Ví dụ của một lát cắt này là bức tường phía bắc của nhà bạn cộng với những điều gì sẽ xảy ra trong tương lai trên bức tường đó và từ phép cắt đó bạn có thể áp dụng những quy luật vật lý để tái lập các phần còn lại của cái nhà.

Thời gian lượng tử

Một mục đích tối thượng của vật lý là thống nhất lý thuyết tương đối rộng với lý thuyết lượng tử để tạo nên một lý thuyết duy nhất: lý thuyết lượng tử của hấp dẫn.

Ta gặp thêm nhiều rắc rối: lý thuyết lượng tử nói rằng các vật thể có nhiều cách hành xử khác với trong vật lý cổ điển ví như vận tốc và vị trí. Sự mô tả của một vật thể phải được thực hiện nhờ một hàm sóng biểu diễn trạng thái. Trạng thái này tiến triển liên tục theo thời gian và nhờ đó các nhà vật lý có thể tính được xác suất của điều gì sẽ xảy ra trong tương lai. Những điều này lại cho phép thời gian có những tính chất mới ^[2].

Thứ nhất thời gian lại cho phép những nghịch lý xảy ra với những xác suất nhất định. Vậy thời gian cho phép sự tồn tại các nghịch lý.

Thứ hai tùy theo thứ tự các phép đo mà chúng ta có thể thu được những kết quả khác nhau.

Thứ ba cơ học lượng tử dẫn đến hiện tượng liên đới lượng tử (quantum entanglement). Từ đó có hiện tượng ma quái tác dụng từ xa (“spooky action at a distance”) trong nghịch lý ERP (Einstein, Rosen & Podolsky). Như vậy theo Einstein phải tồn tại đồng hồ chủ mà chính lý thuyết tương đối của ông ngăn cấm.

Các nhà lý thuyết mong muốn loại bỏ thời gian khi xây dựng một lý thuyết thống nhất nhưng lại bối rối vì vai trò quan trọng của thời gian trong lý thuyết lượng tử: đó chính là nguồn gốc khó khăn trong quá trình hình thành một lý thuyết thống nhất.

Vậy thời gian đi đâu?

Như chúng ta biết có nhiều phương án thống nhất lý thuyết hấp dẫn với lý thuyết lượng tử: Lý thuyết Dây (String theory), CDT (Causal Dynamical Triangulation ), Hình học không Giaohoán (Non Commutative geometry), LQG (Loop Quantum Gravity)... ^[3].

Các phương án này được phân chia thành hai nhóm: nhóm thứ nhất lấy lượng tử làm cơ sở như trong lý thuyết dây LTD (còn có thời gian), nhóm thứ hai muốn xuất phát từ lý thuyết hấp dẫn (có thể thời gian bị loại). Thực tế sự khác biệt giữa hai nhóm này rất mờ. Các nhà LTD đang tìm cách loại bỏ thời gian.

Vào những năm 1950, 1960 khi John Wheeler và Bryce DeWitt tìm cách viết những phương trình Einstein dưới dạng giống như những phương trình của QED (Quantum Electrodynamics-Điện động lực học Lượng tử) cốt để sử dụng những phương pháp lượng tử hóa quen thuộc của QED thì họ đã đi đến một kết quả hết sức bất ngờ: phương trình bây giờ được gọi là phương trình Wheeler-DeWitt hoàn toàn không chứa thời gian. Ký hiệu t biểu diễn thời gian đã bị loại mất. Điều này đã làm bối rối các nhà vật lý trong nhiều thập kỷ. Sao mà thời gian lại biến mất? Song nhìn lại ta thấy điều này không có gì đáng ngạc nhiên. Như đã nói ở trên thời gian đã gần như biến mất từ lý thuyết tương đối tổng quát trước cả lúc các nhà vật lý có ý định thống nhất với lý thuyết lượng tử. Nếu nói một cách tường minh hơn thì thời gian không tồn tại. Carlo Rovelli (Đại học Marseille, Pháp) cùng với nhà vật lý người Anh Julian Barbour đã tìm cách viết lại lý thuyết lượng tử trong một khuôn khổ không chứa thời gian như lý thuyết tương đối đòi hỏi. Ý tưởng chính của hai tác giả là: nếu không tồn tại một thời gian tổng thể (global time) thì chúng ta cần nối liền một hệ thống vật lý này với một hệ thống vật lý khác. Thay vì theo dõi tóc trên đầu bạn đã bạc đi như thế nào theo thời gian bạn có thể nối liền quá trình bạc tóc của bạn với quỹ đạo của vệ tinh. Thời gian trở nên thừa. Mọi sự thay đổi có thể mô tả không cần thời gian. (xem hình 2a,2b). Tương tự như vậy tiền tệ thuận tiện hơn là trao đổi hiện vật khi phải thanh toán một cốc cà phê: thời gian thuận tiện trong việc nối liền một hệ thống vật lý này với một hệ thống vật lý khác ví như quá trình bạc tóc với quỹ đạo vệ tinh. Và thời gian quả là một ảo giác thuận tiện hơn bất cứ điều gì trong vũ trụ như đồng tiền trong cuộc sống thường nhật. Song nếu loại bỏ thời gian thì chúng ta phải tư duy lại lý thuyết lượng tử.

Phục hồi thời gian

Một câu hỏi cấp bách là nếu chấp nhận hấp dẫn lượng tử thì phải giải thích vì sao vũ trụ dường như có thời gian? Ngay lý thuyết tương đối rộng khi hấp dẫn yếu và vận tốc nhỏ cũng có nhiều mẫu con thời gian mà tổng thể là một thời gian tựa Newton . Barbour & Rovelli còn gợi ý rằng thời gian (hay ít nhất ảo tưởng về thời gian) có thể xuất hiện từ điều không có gì cả (nothingness).

Năm 1931 nhà vật lý người Anh Nevill F.Mott xét sự va chạm của một hạt nhân helium với một nguyên tử. Ông phân hệ thành hai hệ con và sử dụng hạt nhân helium như một “đồng hồ” đối với nguyên tử còn lại. Điều đáng chú ý là nguyên tử xét tương đối với hạt nhân helium tuân theo một phương trình chuẩn phụ thuộc thời gian của lý thuyết lượng tử song ở đây một hàm số của không gian đóng vai trò của thời gian. Tuy rằng toàn hệ là không phụ thuộc thời gian song các hệ con lại phụ thuộc. Như vậy trong toàn hệ thời gian đã ẩn núp trong các hệ con (Hình 2a,2b).

Toàn vũ trụ có thể không có thời gian song hãy tưởng tượng vũ trụ bị phân chia thành nhiều hệ con thì một số hệ con lại đóng vai trò “đồng hồ” cho các hệ con khác. Chúng ta cảm nhận thời gian chỉ vì chúng ta theo bản chất là một hệ con.

Nhà triết học Pháp Maurice Merleau-Ponty nói rằng thời gian bản thân thực tế không chảy và sở dĩ ta cảm nhận dòng chảy của thời gian vì “ta đã lén đặt vào dòng sông một chứng nhân của dòng chảy”. Như vậy khuynh hướng tin rằng thời gian đang chảy là hệ quả của việc quên mất rằng chúng ta là một hệ con với các mối liên hệ với vũ trụ trong bức tranh chung. Merleau-Ponty đã nói về những trải nghiệm chủ quan của chúng ta về thời gian và đến bây giờ thì chúng ta phải đoán nhận được rằng thời gian khách quan có thể giải thích được như là hệ quả của những mối quan hệ giữa các hệ con của vũ trụ. Thời gian chỉ tồn tại bằng cách phân chia vũ trụ thành những hệ con và tìm ra các mối quan hệ giữa chúng.

Trong bức tranh đó thời gian vật lý đột sinh từ việc chúng ta nhận thức bản thân như một hệ tách rời với mọi thực thể khác.

Kết luận

Vậy thời gian là không tồn tại độc lập. Ta cảm nhận dòng chảy của thời gian chỉ vì ta là một hệ con có nhiều mối quan hệ với các hệ con khác trong vũ trụ. Cách nhìn mới mẻ này có thể giúp các nhà vật lý trong việc xây dựng một lý thuyết thống nhất hấp dẫn và lượng tử và các nhà triết học trong việc xây dựng một nhận thức luận mới đối với không-thời gian và vật chất của thế giới khách quan.

Tài liệu tham khảo

^[1]Craig Callender, Is time an illusion? Scientific American, tháng 6/ 2010.

^[2]Cao Chi, Cơ Học Lượng Tử: từ quan điểm Einstein đến quan điểm tương quan , KHTQ số tháng 9 / 2008.

^[3]Bạn đọc có thể tìm thấy các lý thuyết này trong “Kỷ yếu Max Planck 2009 ” (Cao Chi , Tồn tại chăng một lý thuyết của tất cả )

Nguồn: Vật lý ngày nay, 12/2010, tr 1

2 Thời gian không tồn tại độc lập song là một phương thức mô tả mối quan hệ giữa các đối tượng. Ý tưởng đó đã dẫn họa sĩ Keith Peters đến bức tranh trên trong đó nhiều đường vòng chạy quấn quanh đối tượng này sang đối tượng khác.

3 Hình 1. Một quả bóng chuyển động và đập vào một bức tường nằm trong một khối tạo nên một không-thời gian. Có hai cách cắt lát không-thời gian.

A / Trong cách thứ nhất (cách thông thường) ta cắt không- thời gian (cắt ngang ) theo từng thời điểm tạo nên một cuốn phim mô tả chuyển động của quả bóng Mỗi khung ảnh dẫn đến khung ảnh tiếp sau theo đúng các định luật vật lý.

B / Nếu dùng phép cắt lát thứ hai (cắt dọc) không theo hướng quá khứ tương lai mà theo hướng từ trái sang phải. Mỗi lát cắt vừa là một phần không gian vừa là một phần thời gian. Bên trái bức tường quả bóng xuất hiện ở hai vị trí còn bên phải bức tường quả bóng không xuất hiện.

4 Hình 2a. Bên trái hình vẽ ta dùng thời gian để đo tốc độ ánh sáng, nhịp đập của quả tim và vận tốc quay của một hành tinh và thu được theo thứ tự: 300.000 km/giây,73 nhịp đập/phút, 1vòng quay/ngày.Bên phải hình vẽ ta không dùng đến thời gian nữa và lấy một nhịp đập của trái tim làm đơn vị thì thu được theo thứ tự: 240.000 km/nhịp đập, 1 nhịp đập và 108.000 nhịp đập/1 vòng quay.

5 Hình 2b. Bên trái hình vẽ ta dùng đồng USD để tính giá trị của một cốc cà phê, 1 đôi giày và một chiếc ô tô đã qua sử dụng và thu được theo thứ tự: 2USD, 100USD và 2000 USD.Bên phải hình vẽ lấy giá trị một cốc cà phê làm đơn vị ta thu được theo thứ tự: 1 cốc cà phê,50 cốc cà phê / 1 đôi giày và 1000 cốc cà phê/một chiếc ô tô đã qua sử dụng.