Tại sao thời gian chỉ tiến không lùi? Câu trả lời có thể khiến lý thuyết của Einstein lung lay

Thời gian có một mũi tên: nó dường như chỉ di chuyển theo một hướng duy nhất. Tương lai luôn là điều chưa biết đối với chúng ta, trong khi quá khứ mãi mãi bị khóa chặt và không thể tiếp cận. Tuy nhiên, đại đa số các định luật vật lý dường như hoàn toàn không quan tâm đến chiều hướng của thời gian.

Các phương trình chi phối mọi thứ, từ các hạt hạ nguyên tử cho đến quỹ đạo của các hành tinh, đều không thể phân biệt giữa chuyển động tiến và lùi trong thời gian. Vậy thì mũi tên của thời gian đến từ đâu?

Trong hơn một thế kỷ qua, hầu hết các nhà vật lý tin rằng chìa khóa của mũi tên thời gian nằm trong khái niệm entropy, đại khái là thước đo mức độ hỗn loạn của một hệ thống. Định luật thứ hai của nhiệt động lực học phát biểu rằng trong các hệ kín, entropy luôn tăng lên, có nghĩa là các hệ thống luôn đi từ trật tự sang hỗn loạn. Định luật này không những chi phối các hệ thống vật lý mà còn phù hợp với trải nghiệm hàng ngày: dọn dẹp một căn phòng luôn khó khăn hơn nhiều so với làm nó bừa bộn.

Nhưng mối liên hệ này lại đặt ra một vấn đề khó chịu. Để entropy tạo ra mũi tên thời gian, vũ trụ của chúng ta phải bắt đầu ở một trạng thái có entropy cực thấp, có tổ chức cao. Điều này khiến hầu hết các nhà vật lý cảm thấy như một giả định giả tạo, được gắn vào một cách miễn cưỡng và không khớp với sự hiểu biết của chúng ta về Big Bang hỗn loạn, lý thuyết tốt nhất về cách vũ trụ bắt đầu.

Năm 2014, nhà vật lý Julian Barbour và các đồng nghiệp đã đề xuất một giải pháp hấp dẫn cho nghịch lý rõ ràng này: trọng lực. Nhưng không phải trọng lực như chúng ta biết qua thuyết tương đối rộng, lý thuyết cho rằng không gian và thời gian uốn cong dưới ảnh hưởng của vật chất và năng lượng.

Thay vào đó, ông đã diễn giải lại các phương trình nổi tiếng của Einstein bằng một ngôn ngữ khác có tên gọi Shape Dynamics, hay Động lực học Hình dạng. Shape Dynamics tập trung vào mối quan hệ giữa các vật thể, thay vì không-thời gian, cấu trúc thống nhất của không gian và thời gian mà chúng tồn tại trong đó. Sử dụng khuôn khổ này, Barbour phát hiện rằng nếu bạn lấy một tập hợp ngẫu nhiên các hạt và để chúng tương tác thông qua trọng lực lẫn nhau, một mũi tên thời gian sẽ tự nhiên xuất hiện.

Khi các hạt tương tác, chúng xây dựng các sắp xếp phức tạp hơn với entropy ngày càng tăng, nhưng không trước khi trải qua một giai đoạn entropy thấp, tổ chức có trật tự cao. Trong thí nghiệm, tất cả điều này dường như xảy ra một cách tự nhiên. Mặc dù trọng lực không quan tâm đến dòng chảy của thời gian, nhưng một mũi tên đã xuất hiện một cách hữu cơ thông qua động lực trọng lực của các hạt. Điều này có nghĩa là thời gian không phải là một thực thể độc lập, mà là kết quả tự nhiên của các tương tác vật lý cơ bản, đặc biệt là trọng lực.

Tuy nhiên, mô hình của Barbour vẫn đang đơn giản hóa quá mức. Ông giả định vũ trụ chỉ là một tập hợp các hạt chỉ tương tác thông qua lực trọng lực duy nhất. Vũ trụ thực tế phong phú hơn nhiều, với nhiều loại hạt khác nhau tương tác thông qua bốn lực cơ bản của tự nhiên mà chúng ta biết ngày nay.

Kể từ khi Barbour công bố nghiên cứu ban đầu cách đây hơn một thập kỷ, nó đã nhận được phần lớn những lời chỉ trích cũng như ủng hộ. Các nhà vật lý phần lớn thừa nhận rằng sự hiểu biết hiện tại của chúng ta về dòng chảy của thời gian và mối liên hệ của nó với entropy có lẽ chưa hoàn chỉnh, nhưng sẽ cần rất nhiều công sức để thuyết phục họ về một ý tưởng thay thế.

Bước đầu tiên là xem liệu Shape Dynamics có phải là một lý thuyết vật lý hợp lệ hay không. Trong khoa học, bạn có quyền đưa ra bất kỳ khuôn khổ toán học nào bạn muốn, nhưng trò khó thực sự là đảm bảo nó phù hợp với các quan sát về vũ trụ thực.

Mặc dù Shape Dynamics phần lớn đồng ý với Thuyết Tương đối Rộng, nhưng nó có một số khác biệt quan trọng. Trong khi ở một số mô hình đơn giản dường như không có vấn đề gì, khi đến những vấn đề lớn hơn như bản chất của lỗ đen, Shape Dynamics dự đoán các hành vi toán học khác biệt. Vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng liệu những khác biệt này có làm Shape Dynamics mất hiệu lực hay không. Công việc này vẫn đang tiếp diễn, và cho đến nay có vẻ đầy hứa hẹn.

Bước tiếp theo là xem liệu giả thuyết này có thể được mở rộng để bao gồm một bức tranh thực tế hơn về vũ trụ hay không. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng cùng một khái niệm chung đằng sau Shape Dynamics, rằng các tương tác vật lý tự nhiên dẫn đến một mũi tên mà không cần viện đến entropy, có thể được áp dụng cho các hệ thống hạ nguyên tử. Những người khác đã có thể tìm thấy các hành vi giống với sự hiểu biết truyền thống của chúng ta về Big Bang.

Tuy nhiên, cho đến nay, chưa ai có thể sử dụng Shape Dynamics để xây dựng một bức tranh hoàn toàn thực tế về sự tiến hóa của vũ trụ ở cùng mức độ chi tiết mà chúng ta hiểu vũ trụ thông qua Thuyết Tương đối Rộng. Dù vậy, đây vẫn là một ý tưởng hấp dẫn: chúng ta trải nghiệm dòng chảy của thời gian bởi vì đó là kết quả tự nhiên của các định luật vật lý cơ bản, và điều đó khiến ý tưởng về Shape Dynamics xứng đáng được theo đuổi thêm.