Tại sao thời gian không thể quay ngược lại?

Trong một nghiên cứu mới được đăng tải trên tạp chí Physical Review Letters, một nhóm chuyên gia vật lý lý thuyết đã tái kiểm tra "Mũi tên thời gian" - một khái niệm miêu tả việc tiến về phía trước không ngừng nghỉ của thời gian, và làm nổi bật một cách xem xét khác đối với cơ chế tự bộc lộ của thời gian theo các phạm vi phổ quát.

Theo truyền thống, thời gian được mô tả trong "giả thuyết quá khứ" là, bất kỳ hệ thống cho trước nào bắt đầu trong một trạng thái entropy thấp (entropy là đơn vị đo nhiệt năng phát tán, hấp thụ khi một hệ vật lý chuyển trạng thái tại một nhiệt độ tuyệt đối xác định - PV) và sau đó dưới sự thúc đẩy của nhiệt động lực học, entropy của nó tăng lên. Nói một cách ngắn gọn: quá khứ là entropy thấp và tương lai là entropy cao, một khái niệm được biết đến với tên gọi "sự mất đối xứng thời gian nhiệt động lực học".

Trong trải nghiệm hàng ngày, chúng ta có thể tìm thấy nhiều ví dụ về sự gia tăng entropy, chẳng hạn như một chất khí lấp đầy một căn phòng hoặc một viên đá tan chảy. Ở những ví dụ này, chúng ta có thể quan sát được sự tăng entropy và do đó cả sự rối loạn không đảo ngược được.

Nếu giả thuyết trên được áp dụng ở một quy mô phổ quát, chúng ta sẽ rút ra rằng, vụ nổ Big Bang đã tạo ra vũ trụ ở một trạng thái entropy, chẳng hạn như một trạng thái entropy tối thiểu. Qua các thời đại, khi vũ trụ giãn nở và dịu mát đi, entropy của hệ thống quy mô lớn này đã tăng lên. Do đó, theo giả thuyết, thời gian thực chất có liên quan đến mức độ entropy hay sự rối loạn trong vũ trụ của chúng ta.

Dẫu vậy, có nhiều vấn đề với ý tưởng trên. Ngay sau vụ nổ Big Bang, nhiều bằng chứng quan sát được đã chỉ ra môi trường Big Bang nóng và vô cùng hỗn loạn của các hạt nguyên thủy. Khi vũ trụ trưởng thành và dịu mát đi, trọng lực kế tục và khiến vũ trụ trở nên trật tự hơn và phức tạp hơn, từ các đám mây khí dịu mát, các ngôi sao hình thành và các hành tinh tiến hóa từ sự sụp đổ trọng lực. Rốt cuộc, đặc tính hóa học hữu cơ trở nên khả thi, tạo điều hình thành sự sống và con người. Do đó, trên một quy mô phổ quát, sự rối loạn đã giảm xuống, không phải tăng lên như "giả thuyết quá khứ" đã nêu.

Vấn đề trên có thể liên quan đến cách entropy được đo lường, theo chuyên gia Flavio Mercati đến từ Viện Vật lý lý thuyết Perimeter (Canada). Ông Mercati cho rằng, do entropy là một đại lượng vật lý với các kích thước (giống như năng lượng và nhiệt độ), nên cần phải có một khung tham chiếu bên ngoài để có thể đo lường nó.

Vậy nếu không phải là entropy, thứ gì có thể đang thúc đẩy thời gian phổ quát tiến về phía trước?

Sự phức tạp là một đại lượng không có kích thước, và ở dạng cơ bản nhất, mô tả mức độ phức tạp của một hệ thống Vì vậy, nếu xem xét vũ trụ của chúng ta, sự phức tạp liên quan trực tiếp tới thời gian Khi thời gian trôi đi, vũ trụ ngày càng trở nên có cấu trúc

"Câu hỏi chúng tôi tìm cách trả lời trong nghiên cứu của mình là: cái gì đã đặt các hệ thống này vào trạng thái entropy rất thấp trước tiên? Câu trả lời của chúng tôi là, trọng lực và xu hướng tạo nên trật tự và cấu trúc (sự phức tạp) từ hỗn loạn của nó", ông Mercati nói

Để kiểm chứng quan điểm này, ông Mercati và các cộng sự đã tạo ra những mô hình máy tính cơ bản để mô phỏng các hạt trong một vũ trụ đồ chơi. Họ phát hiện, dù mô phỏng được tiến hành như thế nào, sự phức tạp của vũ trụ luôn tăng lên, không bao giờ giảm xuống, theo thời gian.

Từ Big Bang, vũ trụ bắt đầu ở trạng thái phức tạp thấp nhất (món "súp" nóng gồm năng lượng và các hạt rối loạn). Sau đó, khi vũ trụ dịu mát tới một trạng thái trọng lực bắt đầu tiếp quản, các khí kết tụ với nhau, các ngôi sao hình thành và các thiên hà tiến hóa. Vũ trụ trở nên phức tạp hơn theo một cách không đảo ngược được và trọng lực là thế lực thúc đẩy sự gia tăng tính phức tạp này.

Ông Mercati nói thêm rằng, các hệ thống phụ trở nên đủ biệt lập để các lực khác tạo ra những điều kiện phù hợp cho mũi tên thời gian "chính thống" thống trị các hệ thống phụ entropy thấp. Trong những hệ thống phụ này, chẳng hạn như cuộc sống hàng ngày trên Trái đất, entropy có thể tiếp quản, tạo ra một "mũi tên nhiệt động lực học thời gian".

Trong các quy mô toàn vũ trụ, nhận thức của chúng ta về thời gian chịu sự dẫn dắt của tính phức tạp phát triển không ngừng, nhưng trong những hệ thống phụ, entropy thống trị. "Phỏng đoán của chúng tôi là, nhận thức của con người về thời gian là kết quả của một quy luật xác định sự phát triển không thể đảo ngược của sự phức tạp", trích thông cáo báo chí của nhóm nghiên cứu.

Bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ thu được các bằng chứng quan sát vũ trụ học để xác thực quan điểm trên.