Thời gian là gì? (Phần 4)

Câu hỏi 4: Phải chăng mọi người chúng ta đều cảm nhận thời gian giống nhau?

Trước thế kỉ hai mươi, khoa học xem thời gian là chung cho tất thảy: mọi người và mọi thứ trong vũ trụ cảm nhận thời gian giống nhau. Giả định cho rằng nếu bạn đặt những cái đồng hồ y hệt nhau ở những bộ phận khác nhau của vũ trụ, thì chúng sẽ tiếp tục chạy khớp với nhau mãi mãi. Suy cho cùng, đó chính là điều chúng ta trải nghiệm trong cuộc sống ngày-qua-ngày của mình. Hãy hình dung thế giới sẽ đảo lộn như thế nào nếu đồng hồ của mọi người chạy ở những tốc độ khác nhau!

Thế rồi thuyết tương đối của Albert Einstein đã làm thay đổi mọi thứ bằng cách trói buộc không gian và thời gian thành một khái niệm: không-thời gian.⁶⁵ Einstein dự đoán nổi tiếng rằng các đồng hồ đang chuyển động chạy chậm lại. Giả sử bạn thực hiện một chuyến đi đến một ngôi sao láng giềng bằng cách du hành ở gần tốc độ ánh sáng, bạn sẽ trải nghiệm ít thời gian hơn so với những người còn lại trên Trái Đất. Điều này không có nghĩa là bạn cảm thấy thời gian trôi chậm, như trong phim Ma Trận. Nó có nghĩa là mọi người và đồng hồ trên Trái Đất sẽ đo được có nhiều thời gian trôi qua hơn so với các đồng hồ trên phi thuyền của bạn. Mọi người chúng ta đều trải nghiệm thời gian giống nhau (ở tốc độ bình thường một giây trên giây) song các đồng hồ của chúng ta sẽ không ăn khớp nếu chúng ta chuyển động ở tốc độ cao so với nhau.

Đâu đó ở Thụy Sĩ, một thợ đồng hồ vừa bị trụy tim.

Việc các đồng hồ y hệt nhau tích tắc ở tốc độ khác nhau trông có vẻ như phản lô gic và phi lí, thế nhưng đây là cách vũ trụ vận hành. Chúng ta biết điều đó đúng bởi lẽ chúng ta chứng kiến nó trong cuộc sống thường ngày của mình. Máy thu GPS trên điện thoại của bạn (hay xe hơi của bạn hay máy bay) giả định rằng thời gian trôi chậm hơn đối với các vệ tinh GPS đang quay xung quanh Trái Đất (chúng đang chuyển động ở tốc độ hàng nghìn dặm mỗi giờ trong không gian bị uốn cong bởi khối lượng khổng lồ của Trái Đất). Không có thông tin này, dụng cụ GPS của bạn sẽ không thể đồng bộ chính xác và định vị trí của bạn từ các tín hiệu truyền bởi các vệ tinh này. Điều mấu chốt là trong khi vũ trụ tuân theo các quy tắc lô gic, song thỉnh thoảng các quy tắc đó không phải thứ bạn kì vọng. Trong trường hợp này, thủ phạm là giới hạn trên tốc độ của vũ trụ: tốc độ ánh sáng.

Theo thuyết tương đối của Einstein, chẳng có thứ gì, kể cả thông tin hay anh chàng giao pizza nóng hổi, có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Giới hạn trên thô bạo này của tốc độ (quãng đường đi trên thời gian) đưa đến một số hệ quả kì lạ thách thức quan niệm của chúng ta về bản chất của thời gian.

Trước tiên, hãy đảm bảo rằng chúng ta hiểu được giới hạn tốc độ này vận hành như thế nào. Quy tắc quan trọng nhất là rằng giới hạn tốc độ này phải áp dụng cho một người nào đó đang đo một tốc độ nào đó từ một hệ quy chiếu bất kì. Khi chúng ta nói không thứ gì được quan sát chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng, chúng ta muốn nói không thứ gì bất kể bạn nhìn từ góc độ nào.

Thế nên hãy làm một thí nghiệm giả tưởng đơn giản. Giả sử bạn đang ngồi trên trường kỉ của mình và bạn bật một đèn flash. Đối với bạn, ánh sáng từ đèn flash đó đang chạy ra xa khỏi bạn ở tốc độ ánh sáng.

Vậy nếu chúng ta neo buộc trường kỉ của bạn vào đầu một tên lửa và tên lửa khởi hành và bắt đầu chuyển động thật sự nhanh thì sao? Điều này xảy ra lúc này nếu bạn bật đèn flash của mình? Giả sử bạn chiếu đèn flash về phía trước tên lửa, thì phải chăng ánh sáng flash chuyển động ở tốc độ ánh sáng cộng với tốc độ tên lửa?

Chúng ta sẽ dành nhiều thời gian hơn về những ý tưởng này ở chương 10, song điểm mấu chốt là để ánh sáng từ đèn flash chuyển động ở tốc độ ánh sáng đối với mọi nhà quan sát (bạn trên tên lửa và chúng tôi trên Trái Đất), phải có thứ gì đó khác, và thứ đó chính là thời gian.

Để hiểu được điều này, hãy trở lại với suy nghĩ của chúng ta xem thời gian là chiều thứ tư của không-thời gian. Và điều đó giúp hình dung rằng giới hạn tốc độ của vũ trụ áp dụng cho tốc độ toàn phần của bạn trong thời gian lẫn không gian. Giả sử bạn đang ngồi trên trường kỉ của bạn trên Trái Đất, bạn không có tốc độ trong không gian (so với Trái Đất), vậy nên tốc độ của bạn trong thời gian có thể cao.

Thế nhưng giả sử bạn ở trên trên lửa đang chuyển động gần tốc độ ánh sáng so với Trái Đất, thì tốc độ của bạn trong không gian là rất cao. Vì thế để tốc độ toàn phần của bạn trong không-thời gian so với Trái Đất vẫn nằm trong giới hạn tốc độ của vũ trụ, thì tốc độ của bạn trong thời gian phải giảm – khi đo bởi các đồng hồ trên Trái Đất.

Bạn vẫn còn ở đó chứ?

Đầu óc bạn có thể lùng bùng một chút nếu nghĩ những người khác nhau có thể tường thuật những quãng thời gian trôi qua khác nhau, nhưng đó chính là cách vận hành của vũ trụ. Lạ lùng hơn nữa, người ta có thể không nhất trí trong một số trường hợp về trật tự các sự kiện xảy ra, và toàn bộ họ có thể đang tường thuật đúng cái họ quan sát thấy. Ví dụ, hai nhà quan sát trung thực có thể bất đồng về người chiến thắng cuộc đua nếu hai nhà quan sát đó đang chuyển động ở tốc độ rất khác nhau.

Giả sử bạn có một cuộc chạy đua giữa con lạc đà cưng và con chồn sương cưng của bạn, thì tùy thuộc vào bạn đang chuyển động bao nhanh và bạn ở nơi nào so với cuộc đua, bạn có thể thấy con thú cưng này hoặc con thú cưng kia của bạn giành vị trí quán quân. Mỗi con thú của bạn sẽ có một phiên bản của riêng chúng về các sự kiện, và giả sử bà ngoại của bạn có thể du hành gần tốc độ ánh sáng, thì bà có thể không nhất trí với cả hai. Và họ đều đúng cả! (Tuy nhiên, hãy lưu ý rằng họ cũng sẽ không nhất trí về thời điểm xuất phát của mỗi bên.)

Khó mà nuốt cho trôi ý tưởng rằng những người khác nhau có thể trải nghiệm thời gian khác nhau bởi lẽ chúng ta thích nghĩ rằng có một lịch sử đúng tuyệt đối của vũ trụ. Chúng ta hình dung rằng trên nguyên tắc một người nào đó có thể viết ra một câu chuyện (rất, rất dài, và phần lớn là nhàm chán) về mọi thứ từng xảy ra trong vũ trụ cho đến nay. Giả sử có một câu chuyện như vậy, thì mọi người có thể kiểm tra nó dựa theo trải nghiệm của họ, và trừ ra những sai sót không tránh khỏi và tầm nhìn lơ tơ mơ, câu chuyện sẽ khớp với những điều mọi người chứng kiến. Thế nhưng thuyết tương đối của Einstein làm rõ rằng mọi thứ đều là tương đối, và kể cả bản mô tả các sự kiện trong vũ trụ cũng phụ thuộc vào ai đang ghi lại bản mô tả đó.

Cuối cùng, chúng ta phải từ bỏ ý tưởng về thời gian là một chiếc đồng hồ tuyệt đối cho vũ trụ. Thỉnh thoảng điều đó đưa chúng ta tiến vào những lĩnh vực hết sức phản trực giác, song điều thú vị là cách nhìn nhận thời gian như thế này đã được kiểm tra và chứng minh là đúng. Như với nhiều cuộc cách mạng trong vật lí, chúng ta buộc phải li khai bản thân mình với trực giác và đi theo lộ trình toán học ít bị ảnh hưởng hơn bởi kinh nghiệm chủ quan của chúng ta về thời gian.

Câu hỏi 5: Thời gian có ngừng lại không?

Thật khó cưỡng lại ý nghĩ về thời gian dừng lại ngay trước cửa. Chúng ta chưa từng chứng kiến thời gian làm bất kì điều gì ngoài việc trôi về phía trước, vậy làm thế nào nó có thể làm được điều gì khác chứ? Vì chúng ta chẳng mấy rõ vì sao thời gian trôi mãi về phía trước lúc ban đầu, nên thật khó nói chắc cú liệu điều này có luôn đúng hay không.

Một số nhà vật lí bị thuyết phục rằng “mũi tên” thời gian được xác định bởi quy tắc entropy phải tăng hoặc chiều thời gian là trùng với chiều entropy tăng. Thế nhưng nếu đúng như vậy, thì điều gì xảy ra khi vũ trụ đạt tới entropy cực đại? Trong một vũ trụ như thế, mọi thứ sẽ ở trong trạng thái cân bằng và không có trật tự nào được tạo ra. Thời gian sẽ dừng lại tại điểm đó hay không còn ý nghĩa nữa? Một số nhà triết học cãi rằng tại thời điểm này mũi tên thời gian và quy luật tăng entropy có thể tự đảo lại, khiến vũ trụ co trở lại thành một điểm kì dị tí xíu. Song tranh luận này mang tính tâm sự đêm khuya hơn là một dự báo khoa học thực sự.

Các lí thuyết khác đề xuất rằng tại thời khắc Vụ Nổ Lớn, hai vũ trụ đã được tạo ra, một vũ trụ có thời gian trôi xuôi và một vũ trụ có thời gian trôi ngược. Còn quái đản hơn nữa là những lí thuyết đề xuất rằng có nhiều hơn một chiều thời gian. Chúng ta có ba (hoặc nhiều) chiều để chuyển động trong không gian – vậy tại sao không có hai hoặc nhiều chiều trong thời gian? Sự thật là, như thường lệ, chúng ta chẳng biết gì hết.

Đến lúc kết luận

Những câu hỏi này về bản chất thời gian là rất sâu sắc, và câu trả lời có thể làm chấn động tận nền tảng của vật lí hiện đại. Song trong khi tầm vóc của những câu hỏi này khiến chúng thật hấp dẫn để suy tư và cật vấn, nhưng cũng chính tầm vóc ấy khiến chúng không hề dễ giải quyết.

Làm thế nào bạn tiếp cận một vấn đề như thế? Không giống như những câu hỏi khác mà chúng ta nêu lên trong quyển sách này, chẳng có thí nghiệm tỏ tường nào bạn có thể tiến hành để thu về câu trả lời hết. Chúng ta không thể làm thời gian dừng lại để nghiên cứu nó, và chúng ta không thể tiến hành các phép đo thời gian lặp lại của cùng một sự kiện. Chủ đề này nằm ngoài tầm với nên có rất ít nhà khoa học nghiên cứu nó trực tiếp. Nó thuộc về lãnh địa của các giáo sư tăm tiếng và số ít nhà nghiên cứu trẻ hăm hở sẵn sàng dấn thân vào lĩnh vực đầy rủi ro như thế.

Có lẽ chúng ta sẽ có được tiến bộ bằng cách xử lí các vấn đề này một cách trực diện, hoặc có lẽ chúng ta sẽ thu được một nhận thức sâu sắc nào đó khi nghiên cứu một vấn đề khác. Chỉ có thời gian mới nói được.