Khái niệm khoảng thời gian là gì?
THỜI GIAN LÀ GÌ? Đối với nhà vật lý (thông thường), thời gian là cái mà một đồng hồ chính xác đo được. Với nhà toán học, đó là không gian một chiều, được xem là liên tục, nhưng có thể được chia thành các “thời khắc”, giống như từng tấm ảnh trong một cuộn phim. Với số đông, thời gian là cái luôn trôi từ quá khứ qua hiện tại để tới tương lai. Trong thuyết Tương đối, thời gian là chiều thứ tư của vũ trụ, nhưng điều đó không có nghĩa nó đồng nhất với ba chiều không gian, vì công thức tính khoảng cách không thời gian khác công thức tính khoảng cách không gian. Sự phân biệt không gian và thời gian là bệ đỡ cho quan hệ nhân quả, vốn có vai trò thiết yếu trong vận hành vũ trụ. Tuy nhiên, một số nhà vật lý tin rằng, ở thang bậc Planck (10-33 cm và 10-43 giây), là thang bậc nhỏ nhất còn có ý nghĩa vật lý, có thể không gian và thời gian không còn chia tách với nhau.
MŨI TÊN THỜI GIAN: Ảo giác dòng thời gian liên quan với khái niệm mũi tên thời gian. Tuy bác bỏ dòng thời gian, nhưng giới vật lý chấp nhận mũi tên thời gian (chỉ hướng từ quá khứ qua hiện tại tới tương lai), cũng như xem việc phân biệt “quá khứ” và “tương lai” là có cơ sở vật lý. Hawking đã luận giải rất sâu sắc vấn đề này trong tác phẩm Lược sử thời gian: Từ vụ nổ lớn tới lỗ đen, xuất bản từ 1988. Nói chung, các sự biến vũ trụ sắp xếp theo thứ tự một chiều. Như gương rơi xuống sàn sẽ vỡ thành từng mảnh, còn quá trình ngược lại – các mảnh vỡ từ sàn bay lên ghép lại thành gương – chưa từng xẩy ra. Đó là bằng chứng trực tiếp và rõ ràng của nguyên lý hai nhiệt động học, cho rằng độ mất trật tự (entropy) của một hệ cô lập luôn tăng. Gương vỡ mất trật tự hơn, có entropy lớn hơn, nên quá trình “gương vỡ lại lành” không thể xẩy ra. Đối với con người, thời gian tâm lý cũng trôi từ quá khứ tới tương lai như thời gian nhiệt động, vì các quá trình tâm lý có cơ sở vật chất là các quá trình điện hóa trong bộ óc, mà các phản ứng sinh học cũng tuân theo các qui luật nhiệt động học. Nói cách khác, hai mũi tên thời gian nhiệt động và tâm lý trùng nhau. (Hawking còn chứng minh mũi tên vũ trụ giãn nở sau Big Bang cũng chỉ hướng như thế; tuy nhiên ta có thể bỏ qua lập luận này, vì khi vũ trụ co lại (ngược với giãn nở), mũi tên cũng không đổi chiều. Điều đó chứng tỏ việc gắn mũi tên thời gian với sự giãn nở có thể không xác đáng). Chính vì “gương vỡ không lành” mà có sự bất đối xứng giữa quá khứ và tương lai theo trục thời gian. Mũi tên thời gian hình tượng hóa sự bất đối xứng của thế giới theo thời gian, chứ không phải sự bất đối xứng của dòng thời gian. Mũi tên thời gian chỉ hướng về tương lai. Nhưng điều đó không có nghĩa nó bay về tương lai; giống như kim la bàn luôn chỉ phương bắc, nhưng không chạy về phương bắc. Cả hai mũi tên đều hình tượng hóa sự bất đối xứng, chứ không phải vận động hay sự biến dịch. Như vậy mũi tên thời gian chỉ ra sự bất đối xứng trong thời gian, chứ không phải sự bất đối xứng của dòng thời gian. Và các khái niệm “quá khứ” và “tương lai” trong thời gian cũng giống như khái niệm “phía trên” và “phía dưới” trong không gian. Tương quan giữa chúng tùy thuộc vào hệ qui chiếu, vào bản chất thế giới vật chất xung quanh. Chẳng hạn, với người Việt Nam, cảm nhận “phía trên” có thể ngược 180o với cảm nhận của người Mỹ phía bên kia địa cầu. Nói cách khác, sự bất đối xứng theo thời gian là một thuộc tính của các trạng thái vũ trụ, chứ không phải là thuộc tính của bản thân thời gian. Và trong vũ trụ, chỉ người quan sát có ý thức mới ghi nhận được “dòng thời gian” (khi ta ngủ, tức ở trạng thái dưới ý thức, ý niệm dòng thời gian hoàn toàn biến mất). Đồng hồ cũng không đo dòng thời gian, mà chỉ đo khoảng cách thời gian giữa các sự kiện. Vì thế có thể dòng thời gian là đặc điểm chủ quan trong tâm trí con người, chứ không phải là thuộc tính khách quan của vũ trụ.TRIẾT HỌC CỦA THỜI GIAN: Tuy rất kiêu ngạo, nhưng trước những bí ẩn của thời gian, các nhà vật lý cũng phải cầu cứu giới triết học. Theo Carlo Rovelli, một chuyên gia hàng đầu về hấp dẫn lượng tử, lý thuyết hiện đại nhất về không thời gian, đóng góp của triết học đối với quan niệm mới về không thời gian sẽ rất quan trọng. Có nhiều ví dụ minh họa cho nhận định này, tiêu biểu nhất là bài toán “thời gian đông cứng”. Bài toán xuất hiện khi giới lý thuyết cố gắng lượng tử hóa thuyết tương đối rộng bằng một qui trình gọi là “lượng tử hóa chính tắc”. Qui trình được áp dụng rất tuyệt cho thuyết điện từ, nhưng với thuyết tương đối, sản phẩm của nó – phương trình Wheeler – DeWitt – không có biến thời gian. Nói một cách nôm na, phương trình chỉ ra rằng, vũ trụ không thay đổi mà đông cứng trong thời gian. Kết quả sai lầm đó có thể xuất phát từ qui trình kỹ thuật, nhưng có thể bắt nguồn từ căn nguyên sâu xa hơn: tính đồng biến tổng quát, xem các qui luật vật lý như nhau với mọi người quan sát. Vật lý quan niệm nguyên lý đó theo nghĩa hình học (tương đối tổng quát là lý thuyết hình học về không thời gian): hai người quan sát sẽ cảm nhận không thời gian có hai hình dạng khác nhau, tùy thuộc vào hệ qui chiếu riêng của mình. Hai hình dạng là “phiên bản biến dạng” một cách trơn tru của nhau, như tách cà phê là phiên bản biến dạng cái bát ăn cơm chẳng hạn. Tính đồng biến nói rằng, sự khác nhau đó không có ý nghĩa; và hai hình học hoàn toàn tương đương nhau về mặt vật lý. Khoảng 20 năm trước, các nhà triết học Earman và Norton thuộc đại học Pittsburgh cho rằng tính chất tổng quát nêu trên có hệ luận đáng ngạc nhiên với một câu hỏi truyền thống: Không gian và thời gian tồn tại độc lập đối với vật chất (thuyết tồn tại độc lập) hay chúng chỉ đơn giản là một phương thức nhân tạo để xem các thực thể vật lý liên hệ với nhau như thế nào (thuyết tương quan)? Theo lời Norton, chúng giống như giấy vẽ để các họa sĩ vẽ lên; do đó chúng luôn tồn tại cho dù có họa sĩ hay không? Hay chúng giống như tình bạn; và tình bạn chỉ xuất hiện khi có những người bạn? Có lẽ đến nay giới vật lý thiên về thuyết quan hệ, điều Thánh Augustine đã nói từ lâu. Tuy nhiên chính quan hệ luận lại dẫn tới bài toán thời gian đông cứng: Hình học không gian có thể biến đổi theo thời gian, nhưng vì các hình học là tương đương về vật lý, nên không gian thực ra không thay đổi hay bị đông cứng (về mặt vật lý). Và nó cũng có thể mâu thuẫn với cơ lượng tử: nếu không - thời gian không có ý nghĩa cố định, tại sao có thể tiến hành quan sát tại một vị trí không - thời gian xác định, như thuyết lượng tử cho thấy (sự suy sụp hàm sóng khi tiến hành quan sát)? Cần nhấn mạnh rằng, ngay cả các lý thuyết hấp dẫn lượng tử (các lý thuyết không thời gian hiện đại nhất) cũng bất lực trước vấn đề nói trên. Giới lý thuyết dây xem không thời gian tồn tại trước, và họ chỉ viết phương trình cho các dao động của dây trong đó mà thôi. Thuyết hấp dẫn lượng tử vòng thì cho rằng các lượng tử không gian và thời gian ghép nối với nhau tạo thành không - thời gian và vũ trụ; nhưng cũng không cho biết thời gian là gì và các lượng tử của nó từ đâu mà có. Quan niệm của Engels (không - thời gian là hình thức tồn tại của vật chất và vận động) cũng chỉ là một kiểu quan hệ luận mà thôi. Có thể nói, bài toán bản chất của thời gian chỉ có thể hé mở khi khoa học xây dựng được một lý thuyết hấp dẫn lượng tử hoàn chỉnh. Vấn đề là không ai biết khi nào thì xuất hiện bước đột phá đó.DU HÀNH XUYÊN THỜI GIAN: XÁC ĐỊNH THỜI GIAN: Loài người đã cố gắng xác định chính xác thời gian trong suốt tiến trình lịch sử của mình. Khoa học công nghệ phát triển giúp việc đo đạc ngày càng chính xác; ngược lại, đo đạc thời gian chính xác cũng thúc đẩy sự phát triển khoa học công nghệ trong sự phát triển chung của loài người. Ngày nay hệ thống định vị toàn cầu cho phép toàn nhân loại thống nhất trong hành động về mặt thời gian. Theo bằng chứng khảo cổ, người Babylone và người Ai Cập bắt đầu đo thời gian ít nhất từ 5000 năm trước. Ho xây dựng lịch dựa trên ba chu trình tự nhiên: ngày mặt trời theo chu trình sáng tối dựa trên sự tự quay của trái đất; tháng mặt trăng dựa theo chuyển động của mặt trăng quanh trái đất; và năm mặt trời, dựa trên chuyển động của trái đất quanh mặt trời. Dương lịch ngày nay (Lịch Gregory) bắt nguồn từ lịch của người Babylone, người Ai Cập, người Do Thái và người La Mã. Người Ai Cập, Hy Lạp và La Mã chế ra đồng hồ mặt trời, đồng hồ nước và các loại đồng hồ khác. Đồng hồ cơ vận hành bằng vật nặng xuất hiện lần đầu tại Bedfordshire, nước Anh, năm 1283. Đến ngày Giáng sinh năm 1656, đồng hồ quả lắc đầu tiên xuất hiện do đóng góp trực tiếp của nhà thiên văn học Đan Mạch Brahe và nhà thiên văn và toán học Hà Lan Huyghens, cùng sự góp sức của nhiều nhà khoa học khác, chẳng hạn Galilei. Ngày nay khoa học dùng các dao động dưới nguyên tử để đếm thời gian. Năm 1967, người ta định nghĩa giây là “khoảng thời gian bằng 9.192.631.770 chu kì bức xạ ứng với sự chuyển dời giữa hai mức siêu tinh tế tại trạng thái cơ bản của nguyên tử cesium 133”. Đồng hồ nguyên tử chính xác nhất hiện nay có độ chính xác 10-17, tức chỉ sai một giây sau khoảng ba tỉ năm. Tuy nhiên chúng có tuổi thọ không cao so với đồng hồ cơ khí. Với công nghệ hiện hành, các kĩ sư có thể chế tạo đồng hồ cơ khí chỉ sai một giây sau một năm mà tuổi thọ đạt tới 12 ngàn năm. Về nguyên tắc, có thể đạt độ chính xác vô hạn, nhưng hấp dẫn và chuyển động làm thời gian co giãn (thuyết tương đối hẹp), nên đồng hồ nào cũng sẽ có sai số. Các nhà khoa học hy vọng trong tương lai rất gần, có thể đạt độ chính xác 10-22, tức đồng hồ chỉ sai một giây sau ba trăm ngàn tỷ năm! Mức chính xác đó rất cần thiết để tạo các xung laser atto giây (10-18 giây) hay điều khiển các chuyến bay vũ trụ.THỜI GIAN SINH HỌC, THỜI GIAN TÂM LÝ VÀ THỜI GIAN VĂN HÓA: Thời gian sinh học quan trọng nhất là nhịp ngày đêm, do nhịp sáng tối và thăng giáng địa từ qui định. Khi ánh sáng tới võng mạc, nó qua nhân trên chéo thị giác rồi tới nhân cận thất để dừng sự chế tiết melatonin của tuyến tùng, một tuyến nội tiết thần kinh giữa vai trò điều nhịp của cơ thể. Khi không có thông tin về chu trình sáng tối, tuyến tùng đo đạc các thăng giáng địa từ, cũng có chu kì 24 giờ, để điều nhịp. Chỉ trong lồng Faraday kín (ngăn được cả tín hiệu sáng tối và tín hiệu địa từ), các nhịp sinh học (nhịp tim, nhịp tiết nội tiết tố, nhịp ngưỡng đau...) mới rối loạn, với chu kì 25, chứ không phải 24 giờ như thường lệ. Hội chứng trễ do các chuyến bay (jet-lag), tức mất sự điều hòa cơ thể sau một chuyến bay xuyên lục địa có thể ngăn ngừa bằng melatonin là vì vậy. Cơ thể sinh vật cũng nhạy cảm với nhịp mặt trăng (28 ngày), nhịp mùa và nhịp năm. Cơ chế của chúng còn chưa được hiểu rõ. Đó là cách thức để các sinh hệ hành xử đồng điệu với môi trường nhằm tiết kiệm năng lượng và tăng cường khả năng sinh tồn. Thời gian tâm lý được xác định nhờ các cấu trúc não như hồi hải mã hay thùy thái dương. Tổn thương tại đó dẫn tới các rối loạn trí nhớ như không truy xuất được ký ức quá khứ hay không thể tạo ký ức mới. Tuy nhiên việc giải đoán thời gian còn phụ thuộc vào cảm xúc và các hoạt động tinh thần cao cấp khác. Giai thoại về bếp lò nóng và cô gái đẹp của Einstein là minh họa cho điều này. Và đó cũng là căn nguyên của quan niệm xem dòng thời gian chỉ là ảo giác, tức chỉ là một đặc tính chủ quan của trí óc, chứ không phải là thuộc tính khách quan của vũ trụ. Cuối cùng, quan niệm thời gian còn phụ thuộc vào các chiều kích văn hóa và xã hội. Trễ vài phút khi trả lời phỏng vấn xin việc có thể gây hệ quả nghiêm trọng, nhưng dự tiệc cưới tại Sài Gòn thì trễ hàng tiếng vẫn không sao. Thời gian không phải là vàng ngọc mà cũng không hẳn vô giá trị; nó chỉ đơn giản là chính nó với biết bao bí ẩn đang chờ được khám phá.BƯỚC NHẢY THỜI GIAN (Các bậc thang Plank) “Những vật thể lớn” đó có thể là mọi thứ nằm ở mức trên của Thang Planck bí hiểm. TÓM LẠI: 1/ Bằng các phương trình toán học . chúng ta đã khai tử cho ảo tưởng về thời gian tuyệt đối. Không tồn tại thời gian tuyệt đối khách quan, thời gian hình thành trong đầu chúng ta. Hay thời gian là sản phẩm của quá trình nhận thức. 2/ Thời gian chỉ là hệ quả chứ không phải là nguyên nhân của những sự kiện sảy ra trong vũ trụ. 3/ Thời gia là không hình dạng, không thực thể, song không thể vượt qua được ( tất nhiên có thể đi trong thời gian theo các chiều) có thể đo thừoi gian, nhưng với cá giác quan của con người không thể cảm nhận được nó. Thời gia có vẻ là vĩnh cửu nhưng không thể đảo ngược.vậy nên thời gian không trôi, mà sự cảm nhận thời gian trôi chỉ là sản phẩm của bộ não mà thôi. Nguyễn Tử Thắng |