Thời gian chỉ chạy một chiều không phải vì các định luật cơ bản cấm chạy ngược, mà vì entropy, tức mức độ mất trật tự, luôn có xu hướng tăng, và nó tăng được là vì vũ trụ khởi đầu ở một trạng thái có entropy cực thấp. Mũi tên thời gian, nói gọn, là dấu vết của điểm khởi đầu đặc biệt ấy.
Chào bạn, đây là Nhà Học Thuật. Bạn thả sữa vào ly cà phê, sữa loang ra, không bao giờ tự gom lại thành giọt. Chuyện quen đến mức không ai hỏi. Nhưng với nhà vật lý, đây là một trong những câu hỏi sâu nhất. Tập này mình kể vì sao.
Định luật vật lý không biết đâu là quá khứ
Nếu quay phim hai quả bóng bi a va nhau rồi chiếu ngược, bạn không thể chỉ ra đoạn nào là chiếu ngược. Chuyển động ngược vẫn tuân thủ đúng các định luật của Newton. Điều tương tự đúng với điện từ học, với tương đối, và về cơ bản với cơ học lượng tử.
Có một ngoại lệ nhỏ trong vật lý hạt: một số quá trình của lực tương tác yếu không hoàn toàn đối xứng khi đảo chiều thời gian. Nhưng hiệu ứng ấy quá nhỏ và quá chuyên biệt để giải thích vì sao ly vỡ không tự lành.
Vậy mà thế giới hằng ngày đầy những thứ chỉ đi một chiều: trứng vỡ, nến cháy, người già đi, ta nhớ hôm qua mà không nhớ ngày mai. Chiếu ngược những cảnh ấy, ai cũng biết ngay là phim chiếu ngược.
Câu hỏi là: từ những định luật không phân biệt hai chiều, sự phân biệt rõ ràng ấy đến từ đâu.
Entropy và cách Boltzmann đếm
Câu trả lời đầu tiên là định luật thứ hai của nhiệt động lực học: trong một hệ cô lập, entropy không giảm. Khái niệm entropy được Rudolf Clausius đặt tên giữa thế kỷ mười chín, khi nghiên cứu máy hơi nước.
Ludwig Boltzmann đưa ra cách hiểu sâu hơn. Một trạng thái mà ta nhìn thấy, như ly cà phê sữa đã hoà đều, ứng với vô số cách sắp xếp các phân tử bên dưới. Trạng thái sữa còn gom thành giọt thì ứng với ít cách sắp xếp hơn hẳn. Entropy, theo Boltzmann, đo số cách sắp xếp đó.
Vậy entropy tăng chỉ vì lý do thống kê: các trạng thái hỗn độn nhiều áp đảo các trạng thái trật tự. Phân tử cứ xáo trộn ngẫu nhiên thì gần như chắc chắn sẽ đi về phía có nhiều cách sắp xếp hơn. Sữa không phải bị cấm gom lại, chỉ là khả năng ấy nhỏ tới mức không bao giờ thấy.
Boltzmann tự hào về ý tưởng này đến mức công thức entropy được khắc trên bia mộ ông ở Vienna. Nhưng đương thời, ông phải chống đỡ những phản bác rất sắc.
Phản bác của Loschmidt và chỗ giấu câu trả lời
Bạn của Boltzmann là Josef Loschmidt nêu một lập luận khó chịu. Nếu các định luật đối xứng thời gian, thì với mỗi cách hệ đi từ trật tự tới hỗn độn, cũng có một cách ngược lại, đi từ hỗn độn về trật tự. Vậy làm sao chứng minh entropy luôn tăng chỉ từ định luật.
Câu trả lời cuối cùng là không chứng minh được, nếu chỉ dùng định luật. Lập luận thống kê của Boltzmann, áp dụng một cách đối xứng, cũng dự đoán rằng entropy cao hơn về phía quá khứ. Một ly cà phê đã hoà đều, xét thuần thống kê, nhiều khả năng đã luôn hoà đều từ trước, chứ không phải vừa mới được rót sữa vào.
Ta biết là không đúng, vì ta nhớ mình rót sữa. Điều đó có nghĩa là ngoài định luật, ta cần thêm một giả định về quá khứ: nó có entropy thấp hơn hiện tại.
Dò ngược mãi, mọi trạng thái entropy thấp đều được thừa hưởng từ trạng thái entropy thấp hơn trước đó, cho tới tận khởi đầu của vũ trụ.
Giả thuyết quá khứ: khởi đầu quá trật tự
Nhà triết học David Albert gọi giả định này là giả thuyết quá khứ: vũ trụ bắt đầu ở một trạng thái có entropy cực kỳ thấp. Nhà vật lý Roger Penrose từ lâu đã nhấn mạnh mức độ đặc biệt khó tin của trạng thái ấy.
Điều nghe như mâu thuẫn là vũ trụ sơ khai gần như đồng đều, nóng và đặc, trông giống hỗn độn chứ không giống trật tự. Chìa khoá là hấp dẫn. Với khí trong hộp, đồng đều là entropy cao. Nhưng khi hấp dẫn chiếm ưu thế, vật chất co cụm thành sao, thiên hà, lỗ đen mới là trạng thái entropy cao. Một vũ trụ đồng đều, chưa co cụm, là cực kỳ trật tự xét theo hấp dẫn.
Từ đó mọi thứ chảy xuống: sao hình thành, Mặt Trời toả ra ánh sáng năng lượng cao, Trái Đất trả lại bức xạ năng lượng thấp, và sự chênh lệch ấy nuôi sự sống, kể cả bộ não đang nghe tập này.
Nhưng vì sao khởi đầu lại có entropy thấp như vậy thì vật lý hiện tại chưa giải thích được. Có người cho rằng cần một lý thuyết về điều kiện ban đầu, có người cho rằng đó chỉ là một sự thật thô, không cần giải thích thêm.
Trí nhớ, nhân quả và cảm giác thời gian trôi
Một hệ quả đẹp của bức tranh này là nó giải thích vì sao ta nhớ quá khứ mà không nhớ tương lai. Một ký ức, một vết chân trên cát, một bức ảnh, đều là dấu vết. Tạo dấu vết là một quá trình làm tăng entropy, nên dấu vết chỉ chỉ về phía entropy thấp hơn, tức quá khứ.
Tương tự, cảm giác ta có thể tác động tới tương lai mà không tác động được quá khứ cũng được nhiều nhà triết học gắn với cùng nguồn gốc. Đây là vùng còn nhiều tranh luận, nhưng hướng giải thích chung khá được ủng hộ.
Còn cảm giác thời gian đang trôi, cái hiện tại như một ngọn đèn lướt dọc dòng thời gian, thì vật lý không chứa khái niệm đó. Một số triết gia cho rằng cảm giác ấy là sản phẩm của cách bộ não xử lý trí nhớ và dự đoán. Số khác cho rằng vật lý đang bỏ sót điều gì đó.
Lần tới khuấy ly cà phê sữa, bạn có thể nghĩ rằng chuyển động nhỏ ấy đang mang dấu vết của khoảnh khắc đầu tiên của vũ trụ.
Câu hỏi thường gặp
Entropy có phải là sự bừa bộn không?
Bừa bộn là cách nói gần đúng. Chính xác hơn, entropy đo số cách sắp xếp vi mô ứng với cùng một trạng thái ta quan sát. Có những trường hợp, như vật chất co cụm do hấp dẫn, trông trật tự hơn mà entropy lại cao hơn.
Sự sống có vi phạm định luật entropy tăng không?
Không. Sinh vật giữ trật tự bên trong bằng cách thải entropy ra môi trường, như toả nhiệt. Tổng entropy của sinh vật và môi trường vẫn tăng.
Entropy có bao giờ tự giảm không?
Với hệ rất nhỏ, entropy có thể giảm thoáng qua trong thời gian ngắn, và điều này đã được đo trong thí nghiệm. Với hệ lớn cỡ đời thường, xác suất giảm nhỏ đến mức không bao giờ quan sát được.
Vũ trụ có kết thúc bằng cái chết nhiệt không?
Nhiều mô hình vũ trụ học dự đoán vũ trụ sẽ tiến dần tới trạng thái entropy tối đa, không còn chênh lệch năng lượng để làm gì. Nhưng những dự đoán ở thang thời gian xa như vậy còn phụ thuộc nhiều điều chưa chắc chắn.
Du hành ngược thời gian có vi phạm vật lý không?
Thuyết tương đối rộng có những nghiệm toán học cho phép đường vòng thời gian, nhưng chúng đòi những điều kiện mà phần lớn nhà vật lý cho là không có thật. Đây vẫn là vùng tranh luận lý thuyết, chưa có gì gợi ý là khả thi.
