Mục lục
Từ thời gian tuyệt đối đến thời gian tương đối
Trong vật lý Newton, thời gian được xem như một chiếc đồng hồ vô hình chạy đều khắp vũ trụ.
Einstein đã thay đổi hoàn toàn quan niệm đó.
Trong thuyết tương đối:
Không gian + Thời gian = Không-thời gian
Thời gian không trôi giống nhau đối với mọi người.
Nó có thể trôi chậm hơn khi:
- Vật chuyển động với vận tốc rất lớn.
- Vật nằm trong trường hấp dẫn mạnh.
Hiệu ứng này không chỉ tồn tại trên lý thuyết. Những hệ thống định vị chính xác như GPS phải tính tới các hiệu ứng tương đối tính để hoạt động đúng.
Cơ học lượng tử gặp một vấn đề với thời gian
Trong cơ học lượng tử thông thường, thời gian được sử dụng như một tham số bên ngoài để mô tả trạng thái của hệ thay đổi như thế nào.
Nhưng trong thuyết tương đối rộng, thời gian lại là một phần của chính không-thời gian.
Khi cố gắng lượng tử hóa hấp dẫn, hai cách nhìn này va chạm với nhau.
Một ví dụ nổi tiếng xuất hiện trong phương trình Wheeler–DeWitt, một phương trình được nghiên cứu trong hấp dẫn lượng tử.
Khác với phương trình Schrödinger quen thuộc, nó không chứa một biến thời gian bên ngoài theo cách thông thường.
Điều này tạo nên:
"Bài toán thời gian" (Problem of Time)
Thời gian có thể là một hiện tượng "nổi lên"?
Một ý tưởng thú vị được Don Page và William Wootters đề xuất vào năm 1983.
Thay vì cần một chiếc đồng hồ nằm bên ngoài vũ trụ, ta có thể chia một hệ lượng tử thành:
Đồng hồ + Phần còn lại của hệ
Trạng thái tổng thể có thể không thay đổi theo một thời gian bên ngoài, nhưng các phần bên trong vẫn có thể thay đổi tương đối với nhau.
Ví dụ:
Khi đồng hồ chỉ trạng thái A → Hệ có trạng thái X
Khi đồng hồ chỉ trạng thái B → Hệ có trạng thái Y
Một người quan sát bên trong hệ sẽ thấy:
X → Y
và diễn giải sự thay đổi đó như thời gian đang trôi.
Theo cách nhìn này, thời gian có thể xuất hiện từ mối tương quan giữa các hệ vật lý, thay vì cần tồn tại như một chiếc đồng hồ tuyệt đối của vũ trụ.
Tuy nhiên, đây vẫn là một hướng nghiên cứu lý thuyết, không phải bằng chứng rằng "thời gian chỉ là ảo giác".
Vì sao thời gian chỉ chạy về phía trước?
Một bí ẩn khác là mũi tên thời gian.
Chúng ta:
- Nhớ quá khứ nhưng không nhớ tương lai.
- Thấy chiếc cốc vỡ nhưng không thấy mảnh vỡ tự ghép thành cốc.
- Thấy con người già đi nhưng không trẻ ngược trở lại.
Tuy nhiên, nhiều phương trình cơ bản của vật lý không tạo ra sự khác biệt đơn giản như vậy giữa quá khứ và tương lai.
Một lời giải quan trọng đến từ entropy.
Theo Định luật II nhiệt động lực học, entropy của một hệ kín có xu hướng tăng.
Có thể hình dung:
Trạng thái có trật tự → Trạng thái có nhiều cách sắp xếp hơn
Một quả trứng dễ vỡ và trộn lẫn hơn rất nhiều so với việc lòng đỏ, lòng trắng và vỏ tự ghép lại thành quả trứng nguyên vẹn.
Sự gia tăng entropy tạo nên một hướng tự nhiên mà chúng ta nhận biết là:
Quá khứ → Hiện tại → Tương lai
Đồng hồ nguyên tử: Dùng lượng tử để đo thời gian
Dù chưa biết thời gian có phải đại lượng cơ bản hay không, con người lại có thể đo nó với độ chính xác đáng kinh ngạc nhờ cơ học lượng tử.
Một giây trong Hệ đơn vị quốc tế được định nghĩa thông qua tần số chuyển mức siêu tinh tế của nguyên tử caesium-133.
Giá trị chuẩn là:
9.192.631.770 Hz
Các nguyên tử giống nhau có những chuyển mức năng lượng cực kỳ ổn định, vì vậy chúng trở thành những "con lắc lượng tử" chính xác hơn rất nhiều so với chuyển động cơ học thông thường.
Đồng hồ quang học còn chính xác hơn
Thế hệ đồng hồ nguyên tử mới sử dụng những chuyển mức quang học của nguyên tử hoặc ion.
Độ chính xác đã đạt tới mức rất cao, cho phép các nhà khoa học:
- Kiểm nghiệm thuyết tương đối.
- Đo sự khác biệt hấp dẫn giữa các độ cao.
- Nâng cao độ chính xác của định vị.
- Tìm kiếm những dấu hiệu vật lý mới.
Một chiếc đồng hồ đủ chính xác thậm chí có thể nhận ra rằng thời gian trôi khác nhau giữa hai vị trí có độ cao rất nhỏ khác nhau.
Nói cách khác, đồng hồ lượng tử có thể biến sự "co giãn của thời gian" thành một đại lượng có thể đo được.
Vậy thời gian có phải ảo giác?
Khoa học hiện nay chưa thể trả lời chắc chắn.
Có ít nhất ba khả năng lớn:
1. Thời gian là một thành phần cơ bản của tự nhiên.
2. Thời gian tồn tại nhưng có bản chất khác với cách chúng ta cảm nhận.
3. Thời gian là một hiện tượng nổi lên từ những quan hệ sâu hơn giữa các hệ vật lý.
Việc phương trình Wheeler–DeWitt không chứa thời gian theo cách quen thuộc không chứng minh rằng thời gian không tồn tại.
Nó cho thấy một điều thú vị hơn:
Hai lý thuyết thành công nhất của vật lý hiện đại vẫn chưa hoàn toàn thống nhất về vai trò của thời gian.
Kết luận
⏳ Newton xem thời gian như chiếc đồng hồ tuyệt đối của vũ trụ.
Einstein cho thấy chiếc đồng hồ ấy có thể chạy nhanh hoặc chậm tùy chuyển động và hấp dẫn.
Còn vật lý lượng tử và hấp dẫn lượng tử đặt ra một câu hỏi sâu hơn:
Có thể nào ở tầng sâu nhất của thực tại, thời gian không tồn tại theo cách chúng ta vẫn tưởng?
Chúng ta chưa có câu trả lời cuối cùng.
Nhưng chính nghịch lý này khiến thời gian trở thành một trong những bí ẩn lớn nhất còn lại của vật lý hiện đại: thứ chúng ta trải nghiệm từng giây, đo được với độ chính xác phi thường, nhưng vẫn chưa thực sự biết bản chất của nó là gì. ``
Ảnh:Sasun Bughdaryan
