Chúng ta sống cuộc đời mình, tiến về phía trước - bữa sáng dẫn đến bữa trưa, ngày hôm qua chìm vào ký ức, ngày mai vẫn còn là lời hứa. Dòng chảy một chiều không ngừng nghỉ của thời gian cũng quan trọng như hơi thở.

Tuy nhiên, nếu nhìn sâu hơn vào các định luật cốt lõi của vũ trụ, một nghịch lý sẽ xuất hiện: vật lý hầu như chẳng quan tâm đến hướng thời gian! Các phương trình về trọng lực, điện từ, thậm chí cả cơ học lượng tử thường vẫn hoạt động tốt nếu thời gian trôi ngược. Vậy tại sao thực tế hàng ngày của chúng ta lại cứ hét lên "chỉ hướng về phía trước"?

Trứng vỡ

Hãy xem một tách cà phê nóng hổi nguội dần. Hãy xem một quả trứng rơi xuống bắn tung tóe. Những sự kiện tầm thường này ẩn chứa chìa khóa đầu tiên: entropy. Hãy nghĩ về entropy như sở thích của tự nhiên đối với sự hỗn loạn. Định luật thứ hai của Nhiệt động lực học là quy luật nghiêm ngặt của vũ trụ: tổng độ hỗn loạn (entropy) của bất kỳ hệ cô lập nào luôn tăng theo thời gian.

Nhiệt truyền từ nóng sang lạnh, không bao giờ tự động đảo ngược. Trứng bác không bao giờ nhảy ngược trở lại vỏ. Sự gia tăng liên tục của độ hỗn loạn này vẽ nên một mũi tên khổng lồ, không thể đảo ngược, chỉ thẳng về tương lai.

Hạt giống vũ trụ

Nhưng tại sao entropy lại có đủ chỗ để phát triển? Vũ trụ của chúng ta khởi đầu ở một trạng thái cực kỳ nóng, đặc và trật tự phi thường – entropy cực kỳ thấp. Hãy tưởng tượng một bộ bài nguyên sơ, được sắp xếp chặt chẽ. Khi vũ trụ bùng nổ ra bên ngoài và nguội đi, bộ bài đó chắc chắn bị xáo trộn. Các thiên hà hình thành, các ngôi sao bùng nổ, các hành tinh hợp nhất – tất cả các quá trình này tạo ra thêm nhiều hỗn loạn. Sự giãn nở của vũ trụ đã tạo ra một sân khấu rộng lớn cho sự leo thang không ngừng của entropy, neo mũi tên thời gian vào sự phát triển của vũ trụ.

Vòng xoắn lớn

Điều gì sẽ xảy ra nếu vũ trụ ngừng phát triển và sụp đổ trong một "Vòng Xoắn Lớn"? Liệu thời gian có thể đảo ngược? Những nhà tư tưởng thời kỳ đầu đã suy ngẫm về điều này. Tuy nhiên, nhà vật lý Richard Tolman đã chỉ ra rằng entropy có thể vẫn tăng lên trong quá trình sụp đổ. Roger Penrose lập luận rằng các cấu trúc hấp dẫn như lỗ đen sẽ không "biến dạng" một cách gọn gàng.

Các mô hình hấp dẫn lượng tử cho thấy một "cú nảy" vào một vũ trụ mới, nhưng mũi tên thời gian có lẽ sẽ không đảo ngược; nó có thể chỉ đơn giản là thiết lập lại. Sự đồng thuận hiện tại? Ngay cả khi sụp đổ, entropy vẫn thống trị, giữ cho thời gian tiếp tục trôi.

Tình thế tiến thoái lưỡng nan của lượng tử

Bước vào thế giới lượng tử kỳ lạ. Ở đây, các hạt tồn tại trong trạng thái chồng chập ma quái – nhiều trạng thái cùng một lúc – cho đến khi được đo lường. Phép đo đó buộc phải đưa ra một lựa chọn, biến các khả năng thành một thực tại xác định. Quan trọng là, sự sụp đổ này là không thể đảo ngược. Bạn không thể "bỏ đo lường" một hạt trở lại trạng thái chồng chập mờ nhạt của nó.

Một số nhà vật lý đề xuất rằng hành động lượng tử cơ bản này – sự quan sát buộc phải xác định – có thể là nơi mũi tên thời gian thực sự xuất hiện, liên kết sự kỳ lạ của lượng tử với thế giới vĩ mô không thể đảo ngược của chúng ta.

Sức mạnh của trọng lực

Trọng lực, định hình vũ trụ, cũng tạo nên dòng chảy thời gian. Sau khởi đầu êm ả, trọng lực kéo vật chất thành từng cụm – sao, thiên hà, lỗ đen. Sự tập trung hấp dẫn này là một chất tăng cường entropy khổng lồ. Hình ảnh bắt đầu với cát mịn (entropy hấp dẫn thấp); trọng lực tất yếu sẽ dồn nó thành những đụn cát (entropy cao). Khi vũ trụ già đi và các cấu trúc hình thành dưới lực hút không ngừng của trọng lực, sự hỗn loạn tăng lên, củng cố hướng tiến của thời gian được quyết định bởi nhiệt động lực học.

Ảo ảnh của tâm trí?

Cảm giác cá nhân của chúng ta về dòng thời gian đang trôi về phía trước – mũi tên tâm lý – có vẻ rất thật. Chúng ta nhớ về quá khứ, chứ không phải tương lai. Nhưng liệu dòng chảy này là cố hữu, hay là một trò lừa của não bộ? Các nhà thần kinh học cho rằng nó liên quan đến cách chúng ta xử lý thông tin và hình thành ký ức, những quá trình được thúc đẩy bởi những thay đổi vật lý làm tăng entropy trong mạch thần kinh. Nếu entropy giảm, liệu chúng ta có thể nhớ được tương lai? Trong khi vật lý cho phép các phương trình đối xứng thời gian, trải nghiệm ý thức của chúng ta dường như gắn liền với sự hỗn loạn ngày càng tăng của vũ trụ.

Quay ngược lượng tử

Năm 2019, các nhà khoa học đã thực hiện một thủ thuật ấn tượng trên máy tính lượng tử của IBM. Họ mô phỏng việc đảo ngược thời gian cho một hạt lượng tử duy nhất (qubit). Bằng cách áp dụng một thuật toán phức tạp, họ đã "quay ngược" quá trình tiến hóa trạng thái lượng tử của hạt, đưa nó trở lại cấu hình trước đó khoảng 85% thời gian với hai qubit.

Giống như việc tua ngược một video lượng tử nhỏ! Nhưng mở rộng quy mô? Việc thêm nhiều qubit đã tạo ra sự hỗn loạn, tương tự như lý do tại sao việc đảo ngược một quả trứng thật là bất khả thi.

Giấc mơ du hành thời gian

Thuyết tương đối của Einstein đưa ra những lỗ hổng lý thuyết đầy hấp dẫn. Đường cong thời gian khép kín (CTC) – những con đường vòng ngược thời gian – xuất hiện trong một số giải pháp. Về mặt lý thuyết, lỗ sâu (cầu Einstein-Rosen) có thể kết nối các thời điểm khác nhau nếu một đầu được tăng tốc gần một lỗ đen.

Nhưng thực tế phũ phàng: cần có vật chất kỳ lạ (chưa được chứng minh) để giữ cho lỗ sâu mở. Những nghịch lý như việc giết chết ông nội của chính mình hiện lên rất rõ ràng. "Giả thuyết Bảo vệ Niên đại" của Stephen Hawking cho rằng tự nhiên có thể ngăn cản việc du hành thời gian ở quy mô lớn như vậy.

Bí ẩn trường tồn

Vậy, tại sao thời gian lại trôi về phía trước? Nhiệt động lực học, được thúc đẩy bởi entropy thấp và được khuếch đại bởi cấu trúc của lực hấp dẫn, mang đến một lực đẩy mạnh mẽ, không ngừng nghỉ. Phép đo lượng tử bổ sung thêm một lớp xác định không thể đảo ngược. Tâm trí chúng ta sau đó dệt nên xu hướng hỗn loạn vũ trụ này vào tấm thảm trải nghiệm ý thức của chúng ta.

Trong khi máy tính lượng tử có thể tua ngược ở quy mô cực nhỏ, và thuyết tương đối vẽ nên những bức tranh kỳ ảo về vòng lặp thời gian, thì dòng chảy thời gian vĩ đại, thường nhật, được thúc đẩy bởi entropy ngày càng tăng, vẫn là một trong những bí ẩn sâu sắc và dai dẳng nhất của vật lý. Quá khứ vẫn bị khóa chặt, tương lai mở ra, và đồng hồ vẫn không ngừng tích tắc tiến về phía trước.