Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 38)

Ai đã phát minh ra thời gian?

Loài người từ lâu đã nhận thức bản chất tuần hoàn của thời gian theo kiểu đều đặn đêm nối tiếp sau ngày và sự đi qua của các mùa. Chúng ta còn nhận thức bản chất tuyến tính của thời gian trôi từ quá khứ đến tương lai. Những sự kiện nay ở trong quá khứ của chúng ta sẽ vẫn ở đó, không bao giờ trở lại mà sẽ lùi ra, xa mãi.

Buổi đầu trong lịch sử nhân loại, người ta đã thấy cần thiết phải chia một ngày thành những thời gian nhỏ hơn. Vì chuyển động của Mặt trời trên bầu trời – từ lâu trước khi người ta biết chuyển động này là do sự quay của Trái đất – mất một lượng thời gian (đại khái) cố định nên chẳng có gì bất ngờ khi mà một trong những chiếc đồng hồ cổ nhất lại là đồng hồ mặt trời, đã được phát minh ra hơn năm nghìn năm về trước ở Ai Cập cổ đại.

Thách thức lớn xảy ra với đồng hồ cơ học xuất hiện vào thế kỉ thứ 17 khi Galileo phát hiện thấy một con lắc có một chiều dài cho trước sẽ luôn luôn mất một khoảng thời gian như nhau để hoàn tất một vòng dao động. Nhưng đến giữa thế kỉ thứ 17 thì đồng hồ quả lắc đầu tiên mới được chế tạo. Sự chính xác này cho phép định thời gian chính xác hơn trước đó nhiều lần, và giờ được chia thành phút và phút được chia thành giây. Ngày nay, đồng hồ quả lắc và đồng hồ cơ giới đang dần dần bị thay thế bởi những chiếc đồng hồ đáng tin cậy hơn nữa. Một cái đồng hồ kĩ thuật số chứa một tinh thể thạch anh nhỏ xíu dao động hàng nghìn lần trong một giây khi có dòng điện đi qua nó. Những dao động quá đều đặn nên bạn có thể dùng chúng làm đồng hồ. (Xin lỗi!) Bạn có thể tưởng tượng hay không cuộc sống sẽ khó khăn như thế nào đối với chúng ta ngày nay với những công tác, những kế hoạch và hạn cuối làm việc nếu đơn vị thời gian nhỏ nhất mà chúng ta có là đơn vị giờ?

Ngày nay, đồng hồ chính xác nhất trên thế giới là đồng hồ nguyên tử có thể đo những khoảng thời gian với độ chính xác cực kì. Chúng dựa trên thực tế là những nguyên tử nhất định, khi được bơm năng lượng, phát ra ánh sáng ở một tần số chính xác độc nhất vô nhị cho loại nguyên tử đó. Nổi tiếng nhất trong số này là đồng hồ caesium nay đã lập thành chuẩn thế giới cho thời gian.

Trong khi “giây” là đơn vị chuẩn của thời gian, nó rõ ràng là một phát minh của con người. Nếu có một sự sống thông minh ở đâu đó khác trong Vũ trụ thì chúng sẽ đo thời gian theo “tiền tệ” riêng của chúng có thể suy luận ra từ thời gian cần thiết cho hành tinh quê nhà của chúng hoàn thành một vòng hay một quỹ đạo xung quanh mặt trời của chúng. Cho đến thời gian gần đây, một “giây” được định nghĩa là một phần sáu mươi của một phần sáu mươi của một phần hai mươi bốn của thời gian cần thiết để Trái đất quay trọn một vòng xung quanh trục của nó (tức là một ngày).

Đây từng là cách một giây được định nghĩa, nhưng không còn sử dụng nữa. Ngày nay, chúng ta bị ám ảnh với thời gian đến mức định nghĩa này không còn thích hợp nữa. Bạn thấy đó có một trở ngại. Hóa ra Trái đất đang quay chậm dần đi. Không đủ để bạn lưu tâm, chỉ chậm một giây trong mỗi vài năm, nhưng điều này đủ để nhấn mạnh rằng, trong thế giới công nghệ cao của chúng ta, chúng ta cần một cách khác để đo thời gian. Vì tất cả các nguyên tử caesium luôn luôn phát ra ánh sáng có một tần số 9.192.631.770 chu kì trên giây, nên các nhà khoa học quyết định lật ngược phát biểu trên lại và nói rằng một giây được định nghĩa là khoảng thời gian cần thiết cho ánh sáng phát ra từ các nguyên tử caesium dao động 9.192.631.770 lần. Giá trị này gọi là thời gian vạn vật kết hợp. Độ dài của một ngày theo thời gian vạn vật kết hợp, do đó, là 24 × 60 × 60 × 9.192.631.770 dao động của một nguyên tử caesium. Điều này có nghĩa là cứ mỗi vài năm chúng ta phải cộng thêm một giây bù cho chuyển động quay chậm dần của Trái đất để định nghĩa mới của thời gian không bị lệch với định nghĩa cũ.

Vậy bản thân khái niệm thời gian là gì, chứ không nói cách loài người chúng ta đo nó? Cho đến khi Isaac Newton hoàn thành công trình nghiên cứu của ông về các định luật của chuyển động, thời gian được xem là thuộc địa hạt triết lí chứ không phải khoa học. Tuy nhiên, Newton đã mô tả bằng toán học các vật chuyển động như thế nào dưới tác dụng của các lực, và vì mọi chuyển động và biến đổi đòi hỏi thời gian để làm cho nó có nghĩa, nên ông đã sử dụng cái gọi là một quan niệm thực tế của thời gian. Quan niệm kiểu “nghĩa thường gặp” này vẫn theo chúng ta đến ngày nay, cho dù thực tế chúng ta biết rằng điều đó là sai như chúng ta sẽ thấy ở chương sau.

Thời gian Newton luận là tuyệt đối và không ngừng nghỉ. Ông mô tả nó là một môi trường tồn tại hoàn toàn theo kiểu riêng của nó bên ngoài không gian và độc lập với mọi quá trình xảy ra bên trong không gian. Theo quan niệm này, thời gian được nói là trôi ở một tốc độ không đổi như thể có một cái đồng hồ vũ trụ tưởng tượng nào đó đánh dấu giây, giờ và năm, bất chấp cảm giác chủ quan, thường có của chúng ta về sự trôi qua của nó. Theo Newton, thời gian là tuyệt đối, có thật và mang tính toán học. Chúng ta không có tác động nào lên tốc độ chảy của nó và không thể làm cho nó trôi nhanh hoặc trôi chậm. Chúng ta cũng biết mức độ kém tin cậy mà thỉnh thoảng chúng ta có lúc phán xét các khoảng thời gian. Hãy tưởng tượng bạn rơi vào giấc ngủ trên một chuyến xe lửa thường mất một giờ và bạn thức dậy cảm thấy như chỉ mới có mười phút trôi qua. Khi bạn kiểm tra đồng hồ, bạn thấy là đã muộn một giờ rồi và điều này được xác nhận khi bạn nhìn ra ngoài cửa sổ thấy bạn đã đến gần ga cuối. Tất nhiên, có khả năng đồng hồ của bạn chạy sai và xe lửa đã tăng tốc đáng kể trong khi bạn ngủ để cho thật sự mới có mười phút trôi qua, nhưng đây là khả năng rất khó xảy ra vì chúng ta biết mức độ kém tin cậy mà chúng ta cảm nhận chủ quan về thời gian. Tất cả chúng ta đều có cảm giác từ trong xương thịt rằng thời gian Newton luận thật sự “ở ngoài kia” và trôi đi ở tốc độ như nhau ở mọi nơi trong Vũ trụ.

Những tôn giáo chính trên thế giới đều có nói về bản chất của thời gian. Những tôn giáo đơn thần tin vào một Đấng Tối cao đã sáng tạo ra Vũ trụ và tồn tại bên ngoài không gian và thời gian của chúng ta. Ngài là tối cao theo nghĩa Ngài biết không chỉ quá khứ mà cả tương lai, và Ngài hiện diện ở mọi nơi mọi lúc. Do đó, một vị thần bất diệt tồn tại bên ngoài Vũ trụ của chúng ta không mâu thuẫn với quan niệm trong vật lí hiện đại của Vũ trụ (bao gồm không gian lẫn thời gian) đi vào tồn tại lúc Big Bang.

Tuy nhiên, cái là đề tài chính của sự tranh luận giữa các nhà khoa học, nhà triết học và thần học là Chúa giữ vai trò gì trong vũ trụ cơ giới quyết định luận của Newton. Theo quan niệm cơ giới mà các định luật chuyển động của Newton cho chúng ta biết về Vũ trụ, thì trên nguyên tắc ít nhất người ta có thể biết vị trí và vận tốc của mỗi hạt trong Vũ trụ. Biết rằng mỗi hạt sẽ đi theo một quỹ đạo nhất định và chịu tác dụng của những lực, một lần nữa là trên nguyên tắc, có thể xác định rõ ràng, người ta có thể chỉ rõ vị trí của chúng tại bất kì thời điểm tương lai nào và, do đó, biết được trạng thái của Vũ trụ trong tương lai. Vì thế tương lai được sắp xếp và quyết định trước.

Một quan niệm giản hóa luận như vậy của thế giới dường như chẳng có chỗ cho tư duy con người. Vì chúng ta cũng được cấu tạo từ các nguyên tử, nên chúng ta chịu những định luật vật lí giống như bất kì vật nào khác; khi đó có lẽ cái chúng ta xem là tư duy không gì hơn là những quá trình cơ giới trong não tuân theo các định luật Newton giống như mọi vật khác.

Trên thực tế, tất nhiên, chúng ta thậm chí không thể tính ra vị trí tương lai của vài quả bóng trên bàn bi-a sau khi chúng bị tán xạ bởi gậy bi-a, chứ đừng nói vị trí tương lai của tất cả các hạt trong Vũ trụ. Nhưng theo quan điểm “quyết định luận” này, ít nhất trên nguyên tắc phải có thể làm như thế, miễn chúng ta có một máy vi tính đủ mạnh. Một máy vi tính như thế sẽ phải chạy một chương trình có độ phức tạp kinh khủng đến mức nó sẽ chứa nhiều biến chưa biết hơn tất cả số hạt trong Vũ trụ. Đây là vì mỗi hạt cần (ít nhất) sáu con số để xác định trạng thái của nó tại một thời điểm cho trước: ba số cho chúng ta biết chỗ nó ở trong không gian 3D và ba số kia cho chúng ta biết nó chuyển động bao nhanh và theo hướng nào.

Để có một sự gần đúng thích hợp, chúng ta không cần tất cả những thông tin này vì một nguyên tử trong một thiên hà ở xa sẽ không ảnh hưởng đến vạn vật trên Trái đất, nhưng cho dù chúng ta tự hạn chế mình với những nguyên tử trên Trái đất thôi chúng ta vẫn phải đương đầu với một con số thật sự ấn tượng. Xét cho cùng, số nguyên tử trong một cốc nước còn nhiều hơn số lượng cốc nước trong tất cả các đại dương trên thế giới.

Tuy nhiên, tôi nhấn mạnh, miễn là số hạt chúng ta đang xử lí không phải là vô hạn, thì chúng ta có thể xem một chiếc máy vi tính tưởng tượng có thể tính ra vị trí tương lai của tất cả các hạt trong Vũ trụ nếu như biết rằng hiện tại chúng đang làm gì. Và việc biết được tương lai đó hàm ý biết được tất cả các vật thể sẽ làm gì sau đó. Việc biết như thế cũng sẽ mở rộng cho con người, vì tất cả chúng ta đều chỉ cấu tạo từ những nguyên tử.

Ngày nay, các nhà vật lí không còn bám lấy quan điểm vũ trụ quyết định luận như vậy nữa. Cách suy nghĩ đó đã bị vứt bỏ khi lí thuyết cơ học lượng tử được phát triển vào giữa thập niên 1920 chứng tỏ rằng, ở cấp độ cơ bản nhất của nó, tự nhiên là ngẫu nhiên và không thể dự đoán trước¹. Bất chấp như vậy, nhiều nhà vật lí tin rằng tương lai là sẵn có ở ngoài kia, không phải do bức tranh Newton của một vũ trụ cơ giới, mà do nó tuân theo từ cách lí thuyết tương đối thống nhất thời gian với không gian. Quan niệm rằng tương lai đã tồn tại như thế này vượt ngoài thế giới quan Newton, thế giới quan khẳng định rằng tương lai là có thể dự đoán trước.

Như với bản chất của thời gian, không phải ai cũng hài lòng với quan điểm thực tế của Newton về một thời gian tuyệt đối bên ngoài, ngay cả trước khi có hai cuộc cách mạng khoa học của thế kỉ 20 trong vật lí hiện đại: thuyết tương đối và cơ học lượng tử. Các nhà khoa học, nhà triết học và nhà thần học từ lâu đã tranh luận một số vấn đề mà tôi sẽ trình bày ngắn gọn sau đây. Họ quan tâm đến ba khái niệm: nguồn gốc của thời gian, dòng chảy của thời gian và chiều của thời gian.

____

¹Tôi biết rằng việc sử dụng từ “không thể dự đoán trước” ở đây dễ bị hiểu sai. Cơ học lượng tử chỉ không thể đoán trước giống như sự sấp ngửa của một đồng xu là không thể đoán trước. Tuy nhiên, nếu bạn gieo đồng xu một trăm lần thì chừng một nửa kết cục sẽ là mặt sấp và một nửa kia là mặt ngửa. Vì thế, có một quy luật thống kê rõ ràng áp dụng cho một số lượng lớn những lần thử. Cơ học lượng tử có thể được hiểu theo kiểu như thế này.