Lỗ đen, lỗ sâu đục và cỗ máy thời gian (Phần 42)

Mũi tên thời gian

Toàn bộ câu chuyện này đưa chúng ta đến đâu? Tôi đã bắt đầu với việc nói về chiều mà thời gian chảy vào. Hãy nhớ rằng đây không phải là một chiều thật sự theo nghĩa bắc hoặc nam, hoặc thậm chí một chiều trong thời gian; nó là một chiều của thời gian và chỉ có thể hướng theo một trong hai chiều (ngược nhau). Có hai cách chọn một mũi tên như thế: ta có thể hoặc xét hai sự kiện và hỏi xem sự kiện nào xảy ra trước hoặc, bằng cách xét một đại lượng đang biến thiên, ta có thể chọn một mũi tên của thời gian để hướng theo chiều tăng hoặc giảm của đại lượng đó.

Người ta thường khẳng định rằng lí do chúng ta “thấy” thời gian trôi theo chiều mà chúng ta thấy là bởi vì não của chúng ta, giống như những hệ vật chất khác, phải tuân theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Như vậy, mũi tên triết lí của thời gian phải luôn luôn hướng theo chiều tăng entropy. Điều này cực kì mơ hồ. Việc đề xuất rằng entropy trong não của chúng ta đang tăng lên là sai. Giống như mọi hệ sinh học khác, não của chúng ta khai thác năng lượng để duy trì trạng thái entropy thấp của chúng. Với mức độ gần đúng thích hợp, entropy trong não của chúng ta giữ nguyên không đổi trong phần lớn cuộc đời của chúng ta.

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học cho chúng ta một mũi tên của thời gian dường như khái quát hơn và ít chủ quan hơn mũi tên triết lí của thời gian mà bạn và tôi đã xây dựng nên trong ý thức của mình. Vì thế, chúng ta định nghĩa một cái gọi là mũi tên nhiệt động lực học của thời gian, nó luôn luôn hướng theo chiều tăng entropy. Vì chúng ta luôn thấy entropy xung quanh chúng ta tăng lên, nên theo định nghĩa mũi tên nhiệt động lực học sẽ hướng cùng chiều với mũi tên triết lí.

Vậy nếu một ngày đó entropy bắt đầu giảm ở mọi nơi trong Vũ trụ thì sao? Ta sẽ nói rằng mũi tên nhiệt động lực học đã đảo chiều. Cái gì xảy ra khi đó với mũi tên triết lí? Giờ thì nó có hướng theo chiều ngược lại hay không? Giờ thì chúng ta có thấy đường tan ngược, bộ bài nghỉ xáo trộn và khói thuốc từ khắp căn phòng gom lại một chỗ và biến mất vào trong đầu điếu thuốc hay không?

Câu trả lời, theo một số người, là không. Ở đây họ viện dẫn quan niệm cho rằng quá trình tư duy của chúng ta, cái định nghĩa mũi tên triết lí, là những quá trình hóa học diễn ra trong não, và giống như mọi hệ vật chất khác, sẽ phải tuân theo định luật thứ hai. Nếu vì lí do gì đó entropy bắt đầu giảm ở mọi nơi, thì bao gồm cả não của chúng ta (và các quá trình tư duy) và mũi tên triết lí cũng sẽ đảo chiều. Tôi không chắc chắn vì, như tôi đã nói ở phần trước, tôi tin rằng não của chúng ta đấu tranh với cơn thủy triều tăng entropy ở bên ngoài. Tôi không rõ cho lắm cái gì sẽ xảy ra bên trong não của chúng ta nếu như entropy bắt đầu giảm ở mọi nơi khác.

Có hai mũi tên thời gian nữa tôi muốn đề cập tới, chúng phản ánh những loại khác nhau của quá trình không thuận nghịch trong vật lí học. Thứ nhất là mũi tên phép đo lượng tử. Miễn là một hệ lượng tử, ví dụ một nguyên tử, là cô lập và chúng ta không cố gắng đo những tính chất của nó, thì nó vẫn hoàn toàn thuận nghịch theo nghĩa các quá trình diễn ra bên trong nó có thể xảy ra theo chiều xuôi hoặc chiều ngược trong thời gian. Tuy nhiên, một khi chúng ta cố gắng khảo sát hệ (sử dụng một số thiết bị thực nghiệm như máy dò hạt để đo vị trí của một nguyên tử chẳng hạn) thì một chiều rõ ràng trong thời gian đã được chọn. Những tính chất nhất định đã bị thay đổi vĩnh viễn bởi tác dụng đo.

Nghiên cứu trong thời gian gần đây về ý nghĩa của cơ học lượng tử cho biết rằng mũi tên phép đo lượng tử về nguồn gốc rất giống với mũi tên nhiệt động lực học. Một cách khác định nghĩa sự tăng entropy là qua sự mất thông tin. Bằng thao tác lưu một tệp trên máy vi tính, bạn đang tạo ra trật tự và làm giảm entropy cục bộ. Cái ngược lại xảy ra khi bạn xóa một tệp. Bạn đang làm mất thông tin và entropy tăng lên. Giờ thì cái đang xuất hiện là mũi tên phép đo lượng tử xoay chuyển do sự mất thông tin tương tự ở cấp độ hạ nguyên tử. Theo ngôn ngữ kĩ thuật, người ta nói sự kết hợp lượng tử rò rỉ vào môi trường xung quanh hệ lượng tử khi nó được khảo sát, do đó làm tăng entropy của nó. Sự mất thông tin lượng tử như thế này hơi giống với cách một vật nóng rò rỉ nhiệt vào môi trường nguội hơn của nó.

Cuối cùng, tôi muốn nói tới một mũi tên thứ tư của thời gian trong ánh sáng của những kết quả thực nghiệm gần đây. Nó được gọi là mũi tên vật chất/phản vật chất. Trong một thí nghiệm khá tinh vi thực hiện tại máy gia tốc hạt CERN hồi năm 1998, người ta phát hiện thấy khả năng phản vật chất biến đổi thành vật chất cao hơn so với những khả năng ngược lại. Thí nghiệm trên, gọi là CP-LEAR (viết tắt của thí nghiệm chẵn lẻ điện tích trong vòng trữ phản proton năng lượng thấp) không đi tới kết quả rõ ràng cho lắm. Những nhóm nghiên cứu đối địch trên khắp thế giới cho đến nay vẫn chưa bị thuyết phục. Nhưng nếu đúng, thì nó cho thấy rằng nếu bạn bắt đầu với một lượng vật chất và phản vật chất bằng nhau, ở dạng những hạt hạ nguyên tử gọi là kaon, thì một thời gian sau sẽ có ít kaon phản vật chất hơn số kaon vật chất bình thường. Điều này mang đến cho chúng ta một mũi tên thời gian ở cấp độ của những hạt này, hướng theo chiều phản vật chất biến mất dần.