Mũi tên thời gian đến từ đâu? cho đến nay chúng ta không biết được. Nó cũng lý giải vì sao trên thực tế, không ai hiểu được điều gì sẽ xảy ra.
Mỗi khoảnh khắc trôi qua đều khiến chúng ta đi từ quá khứ đến hiện tại và tương lai, với thời gian luôn trôi theo cùng một hướng.
Nó không bao giờ có vẻ đứng yên hoặc đảo ngược; “mũi tên thời gian” luôn hướng về phía trước cho chúng ta. Nhưng nếu chúng ta nhìn vào các định luật vật lý – từ Newton đến Einstein, từ Maxwell đến Bohr, từ Dirac đến Feynman – chúng dường như là đối xứng thời gian.
Nói cách khác, các phương trình chi phối thực tế không có tùy chọn thời gian trôi theo cách nào. Các giải pháp mô tả hoạt động của bất kỳ hệ thống nào tuân theo các định luật vật lý, như chúng ta hiểu, cũng có giá trị đối với thời gian trôi về quá khứ cũng như đối với thời gian trôi về tương lai. Tuy nhiên, chúng ta biết từ kinh nghiệm rằng thời gian chỉ trôi theo một chiều: về phía trước. Vậy mũi tên thời gian đến từ đâu?
Nhiều người tin rằng có thể có mối liên hệ giữa mũi tên thời gian và một đại lượng gọi là entropy. Trong khi hầu hết mọi người thường đánh đồng “rối loạn” hay độ mất trật tự với entropy, đó là một mô tả khá lười biếng và cũng không đặc biệt chính xác. Thay vào đó, hãy nghĩ về entropy như một thước đo về mức năng lượng nhiệt (nhiệt) có thể được biến thành công cơ học hữu ích. Nếu bạn có nhiều năng lượng này có khả năng hoạt động, bạn có một hệ thống entropy thấp, trong khi nếu bạn có rất ít, bạn có một hệ thống entropy cao. Định luật thứ hai của nhiệt động lực học là một quan hệ rất quan trọng trong vật lý, và nó phát biểu rằng entropy của một hệ kín (khép kín) chỉ có thể tăng lên hoặc giữ nguyên theo thời gian; nó không bao giờ có thể đi xuống. Nói cách khác, theo thời gian, entropy của toàn bộ Vũ trụ phải tăng lên. Đó là định luật vật lý duy nhất dường như đề cập đến hướng thời gian.
Vậy, điều đó có nghĩa là chúng ta chỉ trải nghiệm thời gian theo cách chúng ta làm do định luật thứ hai của nhiệt động lực học? Rằng có một mối liên hệ cơ bản sâu sắc giữa mũi tên thời gian và entropy? Một số nhà vật lý nghĩ như vậy, và đó chắc chắn là một khả năng. Trong sự hợp tác thú vị giữa kênh YouTube MinutePhysics và nhà vật lý học Sean Carroll, tác giả của The Big Picture, From Eternity To Here và một người hâm mộ mũi tên thời gian /entropy, họ cố gắng trả lời câu hỏi tại sao thời gian không chảy ngược. Không có gì ngạc nhiên khi họ chỉ thẳng vào entropy.
Đúng là entropy giải thích mũi tên thời gian cho một số hiện tượng, bao gồm lý do tại sao cà phê và sữa trộn nhưng không trộn lẫn với nhau, tại sao đá tan thành đồ uống ấm nhưng không bao giờ tự phát sinh thành đồ uống ấm từ đồ uống mát, và tại sao một quả trứng đã nấu chín không bao giờ phân giải trở lại thành lòng đỏ chưa nấu chín, tách rời. Trong tất cả những trường hợp này, trạng thái entropy ban đầu thấp hơn (với năng lượng sẵn có hơn, có khả năng hoạt động) đã chuyển sang trạng thái entropy cao hơn (và năng lượng sẵn có thấp hơn) khi thời gian trôi về phía trước. Có rất nhiều ví dụ về điều này trong tự nhiên, bao gồm một căn phòng chứa đầy các phân tử: một bên chứa đầy các phân tử lạnh, chuyển động chậm và bên kia chứa đầy các phân tử nóng, chuyển động nhanh. Đơn giản chỉ cần cho nó thời gian, và căn phòng sẽ hoàn toàn bị trộn lẫn với các hạt năng lượng trung gian, thể hiện sự gia tăng lớn entropy và một phản ứng không thể đảo ngược.
Ngoại trừ, nó không phải là không thể thay đổi hoàn toàn. Bạn thấy đấy, có một lưu ý mà hầu hết mọi người đều quên khi nói đến định luật thứ hai của nhiệt động lực học và sự gia tăng entropy: nó chỉ đề cập đến entropy của một hệ thống kín, hoặc một hệ thống mà không có năng lượng bên ngoài hoặc những thay đổi trong entropy được thêm vào hoặc lấy đi. Một cách để đảo ngược phản ứng này lần đầu tiên được nhà vật lý vĩ đại James Clerk Maxwell nghĩ ra vào những năm 1870: đơn giản là có một thực thể bên ngoài mở ra sự ngăn cách giữa hai bên của căn phòng khi nó cho phép các phân tử “lạnh” chảy vào một bên và các phân tử “nóng” để chảy vào bên kia. Ý tưởng này được gọi là con quỷ của Maxwell, và nó cho phép bạn giảm năng lượng của hệ thống!
Tất nhiên, bạn không thể thực sự vi phạm định luật thứ hai của nhiệt động lực học bằng cách làm điều này. Điều đáng chú ý là con quỷ phải tiêu tốn một lượng lớn năng lượng để phân tách các hạt như thế này. Hệ thống, dưới ảnh hưởng của con quỷ, là một hệ thống mở; nếu bạn bao gồm entropy của chính con quỷ trong tổng hệ thống các hạt, bạn sẽ thấy rằng thực tế, tổng entropy tăng lên tổng thể. Nhưng đây là người khởi xướng: ngay cả khi bạn sống trong chiếc hộp và không phát hiện ra sự tồn tại của con quỷ – nói cách khác, nếu tất cả những gì bạn làm là sống trong một túi của Vũ trụ chứng kiến entropy của nó giảm xuống – thì thời gian vẫn chạy chuyển tiếp. Mũi tên nhiệt động lực học của thời gian không xác định hướng mà chúng ta cảm nhận được thời gian trôi qua.
Vậy mũi tên thời gian tương quan với nhận thức của chúng ta đến từ đâu? Chúng ta không biết. Tuy nhiên, những gì chúng ta biết là mũi tên nhiệt động lực học của thời gian. Các phép đo entropy của chúng ta trong Vũ trụ chỉ biết được một sự sụt giảm khủng khiếp có thể xảy ra trong toàn bộ lịch sử vũ trụ: sự kết thúc của vũ trụ giãn nở và sự chuyển đổi thành Vụ nổ lớn nóng bỏng. Chúng ta biết rằng Vũ trụ của chúng ta đang đứng trước một số phận trống rỗng, lạnh lẽo sau khi tất cả các ngôi sao bị cháy hết, sau khi tất cả các lỗ đen phân rã, sau khi năng lượng tối đẩy các thiên hà không liên kết ra xa nhau và tương tác hấp dẫn đẩy tàn tích hành tinh và sao liên kết cuối cùng còn lại. Trạng thái nhiệt động lực học của entropy cực đại này được gọi là “cái chết nhiệt” của Vũ trụ. Thật kỳ lạ, trạng thái mà từ đó Vũ trụ của chúng ta hình thành – trạng thái vũ trụ giãn nở – có các tính chất giống hệt nhau, chỉ với tốc độ giãn nở lớn hơn nhiều trong kỷ nguyên giãn nở so với kỷ nguyên năng lượng tối thống trị hiện tại của chúng ta.
Sự giãn nở chấm dứt như thế nào? Làm thế nào mà năng lượng chân không của Vũ trụ, năng lượng vốn có của chính không gian trống, lại được chuyển đổi thành một bể nhiệt nóng của các hạt, phản hạt và bức xạ? Và Vũ trụ đã đi từ trạng thái entropy cực cao trong thời gian giãn nở vũ trụ sang trạng thái entropy thấp hơn trong vụ nổ Big Bang nóng, hay entropy trong thời gian giãn nở thậm chí còn thấp hơn do khả năng cuối cùng của Vũ trụ để thực hiện công việc cơ học? Tại thời điểm này, chúng ta chỉ có những lý thuyết để hướng dẫn chúng ta; các thực nghiệm hoặc quan sát sẽ cho chúng ta biết câu trả lời cho những câu hỏi này vẫn chưa được khám phá.
Chúng ta hiểu mũi tên thời gian từ góc độ nhiệt động lực học, và đó là một phần kiến thức vô cùng quý giá và thú vị. Nhưng nếu bạn muốn biết tại sao ngày hôm qua là quá khứ bất biến, ngày mai sẽ đến trong một ngày và hiện tại chính là thứ bạn đang sống, nhiệt động lực học sẽ không cho bạn câu trả lời. Trên thực tế, không ai hiểu được điều gì sẽ xảy ra.
