Trong sự tiến hóa của cấu trúc vũ trụ, entropy hay lực hấp dẫn mới là động lực át trội hơn? Câu trả lời cho câu hỏi này có những hàm ý sâu sắc cho tương lai của vũ trụ, cũng như quá khứ của nó.
Các nhà vật lí đang gặp vướng mắc với thời gian.
Cho dù qua lực hấp dẫn Newton, thuyết điện từ Maxwell, thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng Einstein hay là cơ học lượng tử, toàn bộ các phương trình mô tả tốt nhất vũ trụ của chúng ta đều hoạt động hoàn hảo nếu thời gian trôi xuôi hoặc trôi ngược.
Tất nhiên, thế giới mà chúng ta trải nghiệm thì hoàn toàn khác. Vũ trụ đang giãn nở, chứ không co lại. Các ngôi sao phát ra ánh sáng chứ không hấp thu nó, và các nguyên tử phóng xạ phân hủy nhanh hơn là kết hợp lại. Trứng ốpla không thể biến đổi ngược thành quả trứng nguyên và điếu thuốc lá không bao giờ thành hình lại từ khói và tro bụi. Chúng ta nhớ tới quá khứ, chứ không nhớ tương lai, và chúng ta trưởng thành rồi già yếu, chứ không trẻ lại và khỏe ra. Đối với chúng ta, thời gian có một chiều rõ ràng và không thể đảo ngược. Nó trôi như tên bắn, và các phương trình thì thật kì cục.
Trong hơn một thế kỉ qua, lời giải thích chính thống cho “mũi tên thời gian”, như nhà thiên văn vật lí Arthur Eddington lần đầu tiên gọi nó vào năm 1927, là rằng nó là một tính chất phát sinh của nhiệt động lực học, như lần đầu tiên được trình bày trong tác phẩm của nhà vật lí người Áo thế kỉ 19 Ludwig Boltzmann. Theo quan điểm này, cái chúng ta cảm nhận là mũi tên thời gian thật ra chỉ là một sự sắp xếp lại không thể lay chuyển của các trạng thái có mức trật tự cao thành những sắp xếp ngẫu nhiên, vô dụng, một sản phẩm của xu hướng vạn vật chi phối mọi thứ tiến tới cân bằng với nhau.
Nói đại khái, điểm then chốt của quan điểm này là “mọi thứ đang tách nhau ra”, nhưng nói chính thống hơn, nó là một hệ quả của định luật thứ hai của nhiệt động lực học mà Boltzmann đã góp công xây dựng. Định luật thứ hai phát biểu rằng trong một hệ kín bất kì (giống như bản thân vũ trụ), entropy – mức hỗn độn – chỉ có thể tăng. Tăng entropy là một chân lí vũ trụ bởi vì luôn luôn có nhiều trạng thái hỗn độn hơn trạng thái trật tự trong một hệ bất kì cho trước, tương tự như việc có nhiều cách ném giấy tung tóe trên bàn hơn cách sắp xếp chúng ngăn nắp thành một chồng.
Mũi tên nhiệt động lực học của thời gian đề xuất rằng vũ trụ khả kiến của chúng ta đã ra đời trong một trạng thái hết sức đặc biệt trật tự cao và entropy thấp, giống như một quả trứng vũ trụ nguyên thủy đã thành hình lúc ra đời thời gian thì vỡ tung và tranh lấy sự trường tồn. Từ thời Boltzmann trở về sau, các nhà khoa học có ác cảm với một khái niệm thời gian thuần khiết bắt đầu tóm lấy khai thác nan đề này.
Tin rằng vũ trụ là bất diệt phù hợp với các định luật Newton, Boltzmann cho rằng tính bất diệt đó có thể giải thích một nguồn gốc entropy thấp cho mũi tên thời gian. Cho trước đủ thời gian – thật ra, thời gian là vô hạn – thì bất cứ cái gì có thể xảy ra sẽ xảy ra, kể cả sự xuất hiện của một vùng lớn entropy rất thấp dưới dạng một thăng giáng thống kê từ một vũ trụ vô thời, entropy cao trong một trạng thái gần-cân bằng. Boltzman lập luận rằng chúng ta có thể sống trong một vùng không chắc xác thực như vậy, với mũi tên thời gian được thiết lập bởi sự diễn tiến lâu dài, entropy chậm, trở lại trạng thái cân bằng.
Các nhà vũ trụ học ngày nay có công việc khó xơi hơn, bởi vì vũ trụ mà chúng ta biết ngày nay không phải là vô thời và bất dịch: Họ phải giải thích sự xuất hiện của mũi tên thời gian trong một vũ trụ động, tương đối tính có vẻ đã ra đời khoảng 14 tỉ năm trước trong ánh lửa rực rỡ của Vụ Nổ Lớn. Họ thường xuyên phải làm công việc “điều chỉnh tinh vi” – thay đổi tỉ mỉ và tùy tiện các thông số của một lí thuyết để cho phù hợp với quan sát.
Trong sự tiến hóa của cấu trúc vũ trụ, entropy hay lực hấp dẫn mới là động lực át trội hơn? Câu trả lời cho câu hỏi này có những hàm ý sâu sắc cho tương lai của vũ trụ, cũng như quá khứ của nó.
Nhiều giải thích hiện đại cho một mũi tên thời gian entropy thấp viện dẫn một lí thuyết vật lí lạm phát – một quan điểm cho rằng một vụ nổ lạ của lực phản hấp dẫn đã bơm vũ trụ nguyên thủy đến kích cỡ thiên văn lớn hơn, san phẳng nó thành cái tương ứng với một trạng thái entropy rất thấp từ đó các cấu trúc vũ trụ sau đó có thể xuất hiện. Nhưng việc giải thích bản thân sự lạm phát có vẻ đòi hỏi sự điều chỉnh còn tinh vi hơn nữa. Một trong những trở ngại là một khi đã khởi phát, lạm phát có xu hướng tiếp tục không ngừng nghỉ. “Sự lạm phát vĩnh viễn” này sẽ làm phụt ra vô số vũ trụ sơ sinh mà các tiên đoán và quan sát đều khó nắm bắt. Đây là một con rệp xấu xí không ai muốn hay là một đặc điểm tuyệt vời của lí thuyết là chuyện gây tranh cãi nảy lửa; để thời gian tồn tại thì dường như cả tính hết sức linh hoạt lẫn sức mạnh giải thích của sự lạm phát đều vừa cực kì ưu thế vừa cực yếu nhược.
Vì tất cả những lí do này, một số nhà khoa học đang tìm kiếm một nguồn gốc entropy thấp cho mũi tên thời gian nhận thấy các giải thích dựa trên sự lạm phát có chút không hài lòng. “Có nhiều nhà nghiên cứu hiện đang nỗ lực chỉ ra theo một cách tự nhiên nào đó tại sao người ta không thể trông đợi entropy ban đầu của vũ trụ là rất thấp,” phát biểu của nhà triết học và vật lí học David Albert tại Đại học Columbia. “Thậm chí còn có một số người nghĩ rằng vấn đề entropy là thấp lúc khai sinh ra vũ trụ cần được bổ sung là một định luật vật lí mới.”
Quan điểm vừa nêu khiến các nhà vũ trụ học buông tay đầu hàng. May thay, có lẽ còn có một cách khác.
Công trình mới mang tính thăm dò của Juloan Barbour thuộc trường Đại học Oxford, Tim Koslowski thuộc trường Đại học New Brunswick và Flavio Mercati thuộc Viện Vật lí Lí thuyết Perimeter đề xuất rằng có lẽ mũi tên thời gian không thật sự đòi hỏi một trạng thái ban đầu được điều chỉnh tinh vi, entropy thấp mà thay vậy nó là sản phẩm không thể tránh khỏi của các định luật vật lí cơ bản. Barbour và các đồng sự của ông lập luận rằng chính lực hấp dẫn, chứ không phải nhiệt động lực học, là cái làm căng dây cung khiến mũi tên thời gian bay đi. Kết quả của họ công bố trên tạp chí Physical Review Letters, số tháng 10.
Các kết quả của đội rút ra từ việc nghiên cứu một phiên bản hết sức đơn giản cho vũ trụ của chúng ta, một mô phòng trên máy tính gồm 1.000 hạt điểm tương tác dưới tác dụng của lực hấp dẫn Newton. Họ nghiên cứu hành trạng động lực học của hệ bằng một số đo ‘mức phức tạp’ của nó, tương ứng với tỉ số của khoảng cách giữa cặp hạt gần nhất của hệ và khoảng cách giữa cặp hạt cách xa nhau nhất. Mức phức tạp của hệ là thấp nhất khi tất cả các hạt tiến sát đến nhau trong một đám mây nén chặt, một trạng thái kích cỡ tối thiểu và đồng đều tối đa tương đương thô với Big Bang. Phân tích của đội cho thấy về cơ bản thì mỗi sắp xếp của các hạt, bất kể số lượng và quy mô của chúng, sẽ diễn tiến sang trạng thái mức phức tạp-thấp này. Như vậy, chỉ có lực hấp dẫn thiết lập nền tảng cho sự giãn nở của hệ và nguồn gốc của mũi tên thời gian, mà không hề cần đến bất kì sự điều chỉnh tinh vi nào để thiết lập một điều kiện ban đầu entropy thấp.
Từ trạng thái mức phức tạp-thấp đó, hệ hạt sau đó giãn nở ra bên ngoài theo cả hai chiều thời gian, tạo ra hai mũi tên thời gian riêng biệt, đối xứng và ngược chiều nhau. Theo mỗi hướng thời gian này, lực hấp dẫn hút các hạt lại thành những cấu trúc lớn hơn, trật tự hơn và phức tạp hơn – tương đương mô hình của đám thiên hà, sao và các hệ hành tinh. Từ đó, sự trôi chảy nhiệt động lực học bình thường của thời gian có thể biểu hiện và trải ra trên mỗi hướng của hai hướng phân kì này. Nói cách khác, mô hình có một quá khứ nhưng có tới hai tương lai. Như được gợi ý bởi các định luật vật lí không khác biệt trong thời gian, mũi tên thời gian có thể trôi theo hai chiều, mặc dù mọi nhà quan sát chỉ có thể nhìn thấy và trải nghiệm một chiều mà thôi. “Chính bản chất của lực hấp dẫn đã kéo vũ trụ ra khỏi tình trạng hỗn độn nguyên thủy của nó và tạo ra cấu trúc, trật tự và cái phức tạp,” Mercati nói. “Tất cả các đáp số phân chia thành hai kỉ nguyên, diễn ra mãi mãi theo hai chiều thời gian, được phân chia bởi trạng thái trung tâm này với những tính chất rất đặc trưng.”
Mặc dù mô hình trên còn thô sơ, và chưa tính đến cơ học lượng tử hoặc thuyết tương đối rộng, nhưng các hàm ý tiềm tàng của nó là rất lớn. Nếu nó đúng cho vũ trụ thực tế của chúng ta, thì Big Bang có thể không còn được xem là sự khởi đầu của vũ trụ mà chỉ là một pha trong một vũ trụ vô thời và bất diệt. Nói nôm na thì một mũi tên thời gian hai nhánh có thể dẫn tới những cái phi lí gây hiếu kì đối với các nhà quan sát ở hai phía ngược nhau. “Tình huống hai tương lai như thế này sẽ biểu hiện một quá khứ hỗn độn ở cả hai chiều, nghĩa là về cơ bản sẽ có hai vũ trụ, mỗi vũ trụ ở một phía của trạng thái trung tâm này,” Barbour nói. “Nếu chúng đủ mức phức tạp, thì cả hai phía có thể chấp nhận các nhà quan sát cảm nhận thời gian trôi ra theo hai chiều ngược nhau. Mọi sinh vật thông minh sẽ định nghĩa mũi tên thời gian của chúng đang trôi ra xa trạng thái trung tâm này. Chúng sẽ nghĩ chúng ta hiện đang sống trong quá khứ xa xôi nhất của chúng.”
Ngoài ra, Barbour nói, nếu lực hấp dẫn thật sự là căn bản đối với mũi tên thời gian, thì sớm hay muộn lực này có thể đem lại những dự đoán có thể kiểm tra và có khả năng dẫn tới một lời giải thích ít “đặc biệt” hơn lí thuyết lạm phát cho lịch sử và cấu trúc của vũ trụ quan sát được của chúng ta.
Đây không phải là lời giải hai tương lai chặt chẽ đầu tiên cho mũi tên thời gian. Đáng chú ý nhất, các nhà vũ trụ học tại Viện Công nghệ California, Sean Carroll và một sinh viên, Jennifer Chen, đã sáng tạo mô hình phân nhánh riêng của họ vào năm 2004, một mô hình tìm cách lí giải nguồn gốc entropy thấp của mũi tên thời gian trong ngữ cảnh lạm phát vũ trụ và sự ra đời của các vũ trụ sơ sinh. Họ gán cho sự xuất hiện của mũi tên thời gian trong mô hình của họ không đặt quá nhiều ở chỗ entropy rất thấp trong quá khứ mà entropy là cao hơn nhiều trong cả hai tương lai, tăng lên bởi sự ra đời do lạm phát chi phối của các vũ trụ sơ sinh.
Một thập kỉ đã qua, Carroll đúng là lạc quan về viễn cảnh chỉ riêng việc tăng entropy là nguồn gốc của mũi tên thời gian, thay vì những tác động khác như lực hấp dẫn. “Mọi thứ xảy ra trong vũ trụ để phân biệt quá khứ với tương lai rốt cuộc là bởi vì entropy theo chiều này thì thấp hơn và entropy theo chiều kia thì cao hơn,” Carroll nói. “Bài báo này của Barbour, Koslowski và Mercati hay bởi vì họ đã xắn tay áo lên làm các phép tính cho mô hình hạt riêng của họ đang tương tác qua lực hấp dẫn, và tôi không nghĩ mô hình đó hấp dẫn – cái hấp dẫn là hành trạng của mô hình đang được phân tích tỉ mỉ... Về cơ bản tôi nghĩ hễ khi nào bạn có một tập hợp hữu hạn hạt trong một không gian thật sự to lớn thì bạn sẽ có loại hành trạng chủng loại mà họ mô tả. Câu hỏi thật sự là, vũ trụ của chúng ta có giống như thế không? Đó là nhiệm vụ khó khăn.”
Cùng với Alan Guth, nhà vũ trụ học tại Viện Công nghệ Massachusetts, người tiên phong nghiên cứu lí thuyết lạm phát, Carroll hiện đang nghiên cứu một phản ứng nhiệt động lực học thuộc loại hướng tới những khẳng định mới cho một mũi tên thời gian thuộc về lực hấp dẫn: Một vũ trụ mô hình kiểu hạt hết sức đơn giản khác cũng tự nhiên phát sinh mũi tên thời gian, mà không cần bổ sung lực hấp dẫn hay bất kì cái gì khác. Bí mật nhiệt động lực học cho thành công của mô hình, theo các nhà nghiên cứu trên, là việc giả định rằng vũ trụ có một sức chứa vô hạn cho entropy.
“Nếu chúng ta giả sử không có entropy khả dĩ tối đa cho vũ trụ, thì mọi trạng thái đều có thể là một trạng thái entropy thấp,” Guth nói. “Điều đó nghe không kêu lắm, nhưng tôi nghĩ nó thật sự hoạt động, và tôi cũng nghĩ nó là bí mật của mô hình của Barbour và các cộng sự. Nếu không có giới hạn độ lớn mà entropy có thể đạt tới, thì bạn có thể bắt đầu ở bất cứ đâu, và từ điểm xuất phát bạn trông đợi entropy tăng khi hệ diễn tiến thành những vùng không gian pha mỗi lúc một to lớn hơn. Lạm phát vĩnh viễn là một ngữ cảnh tự nhiên trong đó viện dẫn khái niệm này, vì nó trông như thể entropy khả dĩ tối đa bị giới hạn trong một vũ trụ lạm phát vĩnh viễn.”
Tranh cãi về mũi tên thời gian đã xảy ra kể từ những quan điểm thế kỉ 19 của Boltzmann và các quan niệm thế kỉ 20 của Eddington, nhưng theo nhiều kiểu, Barbour cho biết, vấn đề tranh cãi cốt lõi vẫn là chuyện vô thời. “Điều này đang mở ra một cách hoàn toàn mới để nghĩ về một vấn đề cơ bản, đó là bản chất của mũi tên thời gian và nguồn gốc của định luật thứ hai của nhiệt động lực học,” Barbour nói. “Nhưng thật ra chúng ta chỉ đang nghiên cứu một phương diện mới của lực hấp dẫn Newton, cái chưa được chú ý tới trước đây. Ai mà biết được hướng nghiên cứu sâu xa và tỉ mỉ này có thể đưa ta tới đâu chứ?”
“Arthur Eddington đã đặt ra tên gọi ‘mũi tên thời gian’, và ông từng nói câu nổi tiếng rằng sự biến dịch của vật chất và năng lượng là cái duy nhất tự nhiên không thể làm ngược lại được,” Barbour nói. “Và ở đây chúng tôi đang chỉ ra, thật sự không nghi ngờ gì, thật ra đây chính là cái lực hấp dẫn đã làm. Và đây là cái đã xảy ra trong vũ trụ của chúng ta. Chúng ta đang hiện thực hóa giấc mơ của người Hi Lạp xưa muốn thu lấy trật tự từ hỗn độn.”
Tác giả: Lee Billings
Bài đăng trên Scientific American, tháng 12/2014
