Có phải thời gian chỉ tồn tại là do đầu óc chúng ta bảo thế?

Trong vật lý, quá khứ - hiện tại - tương lai, chúng đều giống nhau. Nhưng đối với con người, thời gian trôi đi theo một hướng: từ kỳ vọng, đến trải nghiệm và cuối cùng là trôi vào ký ức. Sự di chuyển tuyến tính này được gọi là “mũi tên thời gian” và một số nhà vật lý tin rằng nó chỉ là sản phẩm của đầu óc con người.

Câu hỏi về “mũi tên thời gian” không còn mới. Ta không thể biết rõ được dù thời gian có tồn tại, nhưng cái gì đã định hướng cho mũi tên thời gian? Nhiều nhà vật lý tin rằng nó xuất hiện khi có đủ sự tương tác của các hạt nhỏ riêng biệt, hoạt động theo các định luật về cơ học lượng tử. Và sau đó, bắt đầu xảy ra các hiện tượng mà có thể giải thích được bằng vật lý cổ điển. Nhưng có hai nhà khoa học cho rằng, lực hấp dẫn không đủ mạnh để tác động lên tất cả các chủ thể trong vũ trụ, vì vậy mũi tên thời gian không phải lúc nào cũng đi theo trình tự quá khứ - hiện tại - tương lai. Thay vào đó, mũi tên thời gian xuất hiện do những quan sát viên.

Tất cả những điều này quay trở lại một trong các vấn đề lớn nhất của vật lý đó là thống nhất lượng tử và cơ học cổ điển. Trong cơ học lượng tử, các hạt có thể xếp chồng lên nhau. Có nghĩa là một electron có thể tồn tại ở một trong hai vị trí, không ai có thể nói chắc được trừ khi nhìn thấy. Vị trí của electron được xác định bằng xác suất. Điều này đã được chứng minh trong thực nghiệm.

Tuy nhiên, các quy tắc thay đổi khi các electron bắt đầu tương tác với rất nhiều chủ thể khác như các phân tử trong không khí hoặc phân rã vào trong các đồ vật như hạt bụi, máy bay, quả bóng chày. Cơ học cổ điển có thể lý giải những điều này và trọng lực trở thành yếu tố quan trọng. “Vị trí của electron, mỗi nguyên tử đều được chi phối bởi xác xuất,” Yasunori Nomura nói, một nhà vật lý Đại học Berkeley. Nhưng khi chúng tương tác với các chủ thể lớn hơn hoặc trở thành những thứ như bóng chày, những xác suất riêng lẻ kết hợp với nhau và tỷ lệ xếp chồng của nhóm các electron này giảm xuống. Đó là lý do vì sao bạn không bao giờ thấy một quả bóng chày đồng thời vừa biến mất trong tay của người bắt bóng vừa bay vút trên không.

Thời điểm mà các hạt vật lý hợp nhất với cơ học cổ điển, điều này được gọi là sự rã lượng tử. Trong giới hạn của vật lý, sự rã lượng tử là sự định hướng thời gian trở thành vấn đề toán học trọng yếu. Và như thế, phần lớn các nhà vật lý tin rằng mũi tên thời gian xuất hiện từ sự rã lượng tử.

Lý thuyết đáng chú ý nhất giải thích sự rã lượng tử là phương trình Wheeler - DeWitt. Nó bắt đầu từ năm 1965, khi một nhà vật lý có tên John Wheeler dừng chân ở một sân bay Bắc Carolina. Để giết thời gian, ông ta đến gặp sinh viên của mình là Bryce DeWitt. Họ đã làm công việc của những nhà vật lý: nói về các lý thuyết và con số. Cả hai cùng đưa đến một phương trình, mà từ đó có thể xóa bỏ sự khác biệt giữa lượng tử và cơ học cổ điển.

Lý thuyết này không hoàn hảo, nhưng nó rất quan trọng và phần lớn các nhà vật lý đồng ý rằng nó là công cụ quan trọng để hiểu được nền tảng của sự rã lượng tử. Và nó được đặt tên là hấp dẫn lượng tử.

Nhưng có một chút kì quặc. Mặc dù phương trình không bao gồm một biến số đại diện cho thời gian nhưng nó lại trở thành một cơ sở cho việc kết hợp vũ trụ lại với nhau.

Tuy nhiên, có hai nhà khoa học gần đây đã viết bài báo cho rằng, trong phương trình Wheeler-DeWitt, tác động của trọng lực quá chậm để giải thích cho mũi tên thời gian của thế giới. “Nếu bạn nhìn vào ví dụ và làm toán, phương trình sẽ không giải thích được sự định hướng của thời gian” Robert Lanza nói, một nhà sinh học, bác học, đồng tác giả với bài báo. Nói cách khác, những hạt lượng tử linh động phải có khả năng giữ được trạng thái xếp chồng lên nhau trước khi được trọng lực giữ lại. Và nếu trọng lực quá yếu để giữ sự tương tác giữa các phân tử thì không có cách nào để định hướng thời gian.

Nếu toán học không thể chứng minh thì chính con người hay quan sát viên có thể kiểm chứng điều đó. Thời gian trôi đi như nó vốn thế bởi vì con người là một thực thể sinh học, có hệ thần kinh nhận biết, có hệ tư tưởng. Những thứ này liên kết với nhau giúp con người trải nghiệm được mũi tên thời gian. Nó giống như một phiên bản ở tầm vĩ mô thí nghiệm “con mèo của Schrödinger”. Ở một góc xa xôi nào đó trong vũ trụ thì dòng thời gian có thể trôi ngược từ tương lai về quá khứ. Và trừ khi con người thấy được điều đó qua một kính viễn vọng thì thời gian vẫn chảy từ quá khứ đến tương lai. “Trong tài liệu của ông ấy về thuyết tương đối, Einstein chỉ ra rằng thời gian phụ thuộc vào quan sát viên,” Lanza nói. “Nghiên cứu của chúng tôi đã tiến một bước xa hơn, chứng minh rằng quan sát viên chính là người tạo ra nó.”

“Không cần thiết phải có một lý thuyết mới và cũng không cần tranh luận,” một nhà vật lý người Ý là Carlo Rovelli viết điều này trong một bài báo được phát hành năm ngoái trong tờ ArXiu, một trang web vật lý. Nomura nói rằng một khiếm khuyết đang được chỉ ra là làm thế nào để đo lường được nếu lý thuyết về “thời gian của quan sát viên” là có thật. “Câu trả lời phụ thuộc vào khái niệm về thời gian được định nghĩa trong toán học không bao gồm quan sát viên ở trong hệ thống”.

Nomura nói rằng, các tác giả cũng thất bại trong việc giải thích sự thật rằng toàn bộ vũ trụ tồn tại trong một môi trường gọi là thời gian vũ trụ. “Vậy nên khi bạn nói về thời gian vũ trụ, thì thực chất bạn đang nói đến hệ thống rã lượng tử”. Ông ta không đi xa đến mức cho rằng các tác giả đã sai vì vật lý là môn khoa học không đầy đủ, nhưng ông ấy không đồng ý với kết luận bằng toán học của họ. Và giống như thời gian, giải thích các vấn đề vật lý cũng chỉ là tương đối.

Tham khảo Wired