Để trả lời câu hỏi này, điều đầu tiên bản thân mình muốn các bạn hãy thử xem bộ phim Interstella sản xuất năm 2014 để có thể mường tượng ra sự phức tạp, vô hình, vô định của thời gian và không gian. Khi mà ông bố bị lạc vào giữa khoảng không gian vô định chứa rất nhiều mốc thời gian được phân bố không theo bất kỳ một quy luật nào nhưng lại có thể xem lại như một thư mục phim. Tuy nhiên, lại có thể tác động vào đó để có thể thay đổi được nội dung và mọi thứ lại thay đổi theo hướng mong muốn. Nhưng làm sao để có thể lạc vào một mê cung thời gian vô định như vậy thì lại không ai có thể trả lời được và đây cũng chính là thách thức lớn nhất hiện tại với khả năng của con người.
Vậy, thời gian và không gian có thực sự tồn tại và chúng có gắn bó mật thiết với nhau không?
Không gian 3 chiều bao quanh chúng ta thực sự quá đơn giản để theo dõi nhưng khi gắn liền với thời gian, thì mọi thứ lại trở nên rối rắm hơn. Nên hãy tìm hiểu thời gian là gì? Và nó bị tác động như thế nào nếu gắn liền với thời gian nhé!
Đến bây giờ, khoa học vẫn còn mơ hồ về điều này. Chúng ta cùng đi theo dòng thời gian mà các nhà khoa học đã theo đuổi và suy đoán nhé.
Thời gian là gì?
Đối với nhà vật lý (thông thường), thời gian là cái mà một đồng hồ chính xác đo được. Với nhà toán học, đó là không gian một chiều, được xem là liên tục, nhưng có thể được chia thành các “thời khắc”, giống như từng tấm ảnh trong một cuộn phim. Với số đông, thời gian là cái luôn trôi từ quá khứ qua hiện tại để tới tương lai. Trong thuyết Tương đối, thời gian là chiều thứ tư của vũ trụ, nhưng điều đó không có nghĩa nó đồng nhất với ba chiều không gian, vì công thức tính khoảng cách không thời gian khác công thức tính khoảng cách không gian. Sự phân biệt không gian và thời gian là bệ đỡ cho quan hệ nhân quả, vốn có vai trò thiết yếu trong vận hành vũ trụ. Tuy nhiên, một số nhà vật lý tin rằng, ở thang bậc Planck (10-33 cm và 10-43 giây), là thang bậc nhỏ nhất còn có ý nghĩa vật lý, có thể không gian và thời gian không còn chia tách với nhau.
Ảo giác thời gian
Thật lạ là khái niệm dòng thời gian rất quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày lại gây tranh cãi mãi không thôi giữa các nhà tư tưởng. Khái niệm dòng liên quan với vận động. Không có vấn đề gì khi ta nói tới chuyển động của một đối tượng vật lý, như một mũi tên đang bay về đích chẳng hạn. Ta có thể theo dõi sự thay đổi vị trí không gian của nó trong quá trình vận động qua việc xác định tốc độ và gia tốc bay. Ta thường nói vũ trụ vận động hay biến đổi đối với thời gian. Vậy thời gian biến đổi đối với cái gì? (Vì vận động là tương đối, nên ta phải xác định hệ qui chiếu đối với một vận động bất kì). Trong khi mọi dạng vận động khác đều tạo ra mối liên hệ giữa các quá trình vật lý khác nhau, dòng thời gian lại liên hệ thời gian với chính nó. Khi được hỏi: “Mũi tên bay nhanh như thế nào?”, ta có thể nói, chẳng hạn: “Với tốc độ 200 km/giờ”. Nhưng không ai hỏi: “Thời gian trôi nhanh như thế nào?”; vì câu trả lời: “Với tốc độ một giây trên một giây” hoàn toàn vô nghĩa.
Hãy khảo sát cách lập luận mà các nhà triết học Hy Lạp cổ Parmenides và Zeno, cũng như nhà triết học Anh thế kỉ XIX McTaggart, đã dùng. Giả thuyết Alice hy vọng một Giáng sinh có tuyết, nhưng cô thất vọng vì hôm đó trời mưa; tuy nhiên hôm sau cô vui vì trời đổ tuyết. Ta có thể đặt mối liên hệ giữa dòng thời gian với trạng thái tinh thần của cô gái như sau:
Ngày 23-12: Alice hy vọng ngày Giáng sinh có tuyết.
Ngày 24-12: Alice thất vọng vì trời mưa.
Ngày 25-12: Alice vui vì trời đang đổ tuyết.
Trong mô tả trên, không có gì vận động hay biến đổi cả, đó chỉ là trạng thái cụ thể của thế giới tại các ngày khác nhau (mà ta gọi là chuỗi sự kiện A) và trạng thái tinh thần của Alice liên quan với chúng (ta gọi là chuỗi sự kiện B).
Rõ ràng là từng chuỗi sự kiện mô tả chân xác hiện thực, đồng thời chúng lại mâu thuẫn nhau. Chẳng hạn, sự kiện “Alice thất vọng” ban đầu ở thời tương lai, sau đó ở thời hiện tại, rồi trở thành quá khứ. Nhưng quá khứ, hiện tại và tương lai là các phạm trù loại trừ nhau, vậy tại sao một sự kiện đơn nhất lại có thuộc tính của cả ba? McTaggart dùng nghịch lý đó để xem thời gian không có thật. Tuy nhiên phần lớn giới vật lý đặt vấn đề ít nghiêm trọng hơn: dòng thời gian không có thật, nhưng bản thân thời gian thì có thật, giống như không gian.
Mũi tên thời gian
Ảo giác dòng thời gian liên quan với khái niệm mũi tên thời gian. Tuy bác bỏ dòng thời gian, nhưng giới vật lý chấp nhận mũi tên thời gian (chỉ hướng từ quá khứ qua hiện tại tới tương lai), cũng như xem việc phân biệt “quá khứ” và “tương lai” là có cơ sở vật lý. Hawking đã luận giải rất sâu sắc vấn đề này trong tác phẩm Lược sử thời gian: Từ vụ nổ lớn tới lỗ đen, xuất bản từ 1988.
Nói chung, các sự biến vũ trụ sắp xếp theo thứ tự một chiều. Như gương rơi xuống sàn sẽ vỡ thành từng mảnh, còn quá trình ngược lại – các mảnh vỡ từ sàn bay lên ghép lại thành gương – chưa từng xẩy ra. Đó là bằng chứng trực tiếp và rõ ràng của nguyên lý hai nhiệt động học, cho rằng độ mất trật tự (entropy) của một hệ cô lập luôn tăng. Gương vỡ mất trật tự hơn, có entropy lớn hơn, nên quá trình “gương vỡ lại lành” không thể xẩy ra. Đối với con người, thời gian tâm lý cũng trôi từ quá khứ tới tương lai như thời gian nhiệt động, vì các quá trình tâm lý có cơ sở vật chất là các quá trình điện hóa trong bộ óc, mà các phản ứng sinh học cũng tuân theo các qui luật nhiệt động học. Nói cách khác, hai mũi tên thời gian nhiệt động và tâm lý trùng nhau. (Hawking còn chứng minh mũi tên vũ trụ giãn nở sau Big Bang cũng chỉ hướng như thế; tuy nhiên ta có thể bỏ qua lập luận này, vì khi vũ trụ co lại (ngược với giãn nở), mũi tên cũng không đổi chiều. Điều đó chứng tỏ việc gắn mũi tên thời gian với sự giãn nở có thể không xác đáng).
Chính vì “gương vỡ không lành” mà có sự bất đối xứng giữa quá khứ và tương lai theo trục thời gian. Mũi tên thời gian hình tượng hóa sự bất đối xứng của thế giới theo thời gian, chứ không phải sự bất đối xứng của dòng thời gian. Mũi tên thời gian chỉ hướng về tương lai. Nhưng điều đó không có nghĩa nó bay về tương lai; giống như kim la bàn luôn chỉ phương bắc, nhưng không chạy về phương bắc. Cả hai mũi tên đều hình tượng hóa sự bất đối xứng, chứ không phải vận động hay sự biến dịch. Như vậy mũi tên thời gian chỉ ra sự bất đối xứng trong thời gian, chứ không phải sự bất đối xứng của dòng thời gian. Và các khái niệm “quá khứ” và “tương lai” trong thời gian cũng giống như khái niệm “phía trên” và “phía dưới” trong không gian. Tương quan giữa chúng tùy thuộc vào hệ qui chiếu, vào bản chất thế giới vật chất xung quanh. Chẳng hạn, với người Việt Nam, cảm nhận “phía trên” có thể ngược 180o với cảm nhận của người Mỹ phía bên kia địa cầu.
Nói cách khác, sự bất đối xứng theo thời gian là một thuộc tính của các trạng thái vũ trụ, chứ không phải là thuộc tính của bản thân thời gian. Và trong vũ trụ, chỉ người quan sát có ý thức mới ghi nhận được “dòng thời gian” (khi ta ngủ, tức ở trạng thái dưới ý thức, ý niệm dòng thời gian hoàn toàn biến mất). Đồng hồ cũng không đo dòng thời gian, mà chỉ đo khoảng cách thời gian giữa các sự kiện. Vì thế có thể dòng thời gian là đặc điểm chủ quan trong tâm trí con người, chứ không phải là thuộc tính khách quan của vũ trụ.
Triết học của thời gian
Tuy rất kiêu ngạo, nhưng trước những bí ẩn của thời gian, các nhà vật lý cũng phải cầu cứu giới triết học. Theo Carlo Rovelli, một chuyên gia hàng đầu về hấp dẫn lượng tử, lý thuyết hiện đại nhất về không thời gian, đóng góp của triết học đối với quan niệm mới về không thời gian sẽ rất quan trọng. Có nhiều ví dụ minh họa cho nhận định này, tiêu biểu nhất là bài toán “thời gian đông cứng”.
Bài toán xuất hiện khi giới lý thuyết cố gắng lượng tử hóa thuyết tương đối rộng bằng một qui trình gọi là “lượng tử hóa chính tắc”. Qui trình được áp dụng rất tuyệt cho thuyết điện từ, nhưng với thuyết tương đối, sản phẩm của nó – phương trình Wheeler – DeWitt – không có biến thời gian. Nói một cách nôm na, phương trình chỉ ra rằng, vũ trụ không thay đổi mà đông cứng trong thời gian.
Kết quả sai lầm đó có thể xuất phát từ qui trình kỹ thuật, nhưng có thể bắt nguồn từ căn nguyên sâu xa hơn: tính đồng biến tổng quát, xem các qui luật vật lý như nhau với mọi người quan sát. Vật lý quan niệm nguyên lý đó theo nghĩa hình học (tương đối tổng quát là lý thuyết hình học về không thời gian): hai người quan sát sẽ cảm nhận không thời gian có hai hình dạng khác nhau, tùy thuộc vào hệ qui chiếu riêng của mình. Hai hình dạng là “phiên bản biến dạng” một cách trơn tru của nhau, như tách cà phê là phiên bản biến dạng cái bát ăn cơm chẳng hạn. Tính đồng biến nói rằng, sự khác nhau đó không có ý nghĩa; và hai hình học hoàn toàn tương đương nhau về mặt vật lý.
Khoảng 20 năm trước, các nhà triết học Earman và Norton thuộc đại học Pittsburgh cho rằng tính chất tổng quát nêu trên có hệ luận đáng ngạc nhiên với một câu hỏi truyền thống: Không gian và thời gian tồn tại độc lập đối với vật chất (thuyết tồn tại độc lập) hay chúng chỉ đơn giản là một phương thức nhân tạo để xem các thực thể vật lý liên hệ với nhau như thế nào (thuyết tương quan)? Theo lời Norton, chúng giống như giấy vẽ để các họa sĩ vẽ lên; do đó chúng luôn tồn tại cho dù có họa sĩ hay không? Hay chúng giống như tình bạn; và tình bạn chỉ xuất hiện khi có những người bạn?
Có lẽ đến nay giới vật lý thiên về thuyết quan hệ, điều Thánh Augustine đã nói từ lâu. Tuy nhiên chính quan hệ luận lại dẫn tới bài toán thời gian đông cứng: Hình học không gian có thể biến đổi theo thời gian, nhưng vì các hình học là tương đương về vật lý, nên không gian thực ra không thay đổi hay bị đông cứng (về mặt vật lý). Và nó cũng có thể mâu thuẫn với cơ lượng tử: nếu không - thời gian không có ý nghĩa cố định, tại sao có thể tiến hành quan sát tại một vị trí không - thời gian xác định, như thuyết lượng tử cho thấy (sự suy sụp hàm sóng khi tiến hành quan sát)?
Cần nhấn mạnh rằng, ngay cả các lý thuyết hấp dẫn lượng tử (các lý thuyết không thời gian hiện đại nhất) cũng bất lực trước vấn đề nói trên. Giới lý thuyết dây xem không thời gian tồn tại trước, và họ chỉ viết phương trình cho các dao động của dây trong đó mà thôi. Thuyết hấp dẫn lượng tử vòng thì cho rằng các lượng tử không gian và thời gian ghép nối với nhau tạo thành không - thời gian và vũ trụ; nhưng cũng không cho biết thời gian là gì và các lượng tử của nó từ đâu mà có. Quan niệm của Engels (không - thời gian là hình thức tồn tại của vật chất và vận động) cũng chỉ là một kiểu quan hệ luận mà thôi.
Có thể nói, bài toán bản chất của thời gian chỉ có thể hé mở khi khoa học xây dựng được một lý thuyết hấp dẫn lượng tử hoàn chỉnh. Vấn đề là không ai biết khi nào thì xuất hiện bước đột phá đó.
Chốt lại 1 điều như Einstein đã từng nói "Thời gian là một khái niệm sai lầm" và sẽ còn rất lâu, khi mà con người vẫn còn đang vất vả với việc thoát ra khỏi "không gian 3 chiều" để có thể nghiên cứu và trôi lạc vào "thời gian". Và đến khi trôi vào "thời gian" đó thì liệu rằng để quay trở lại thời gian hiện tại của họ sẽ bằng cách nào đây.